Фильм стартует с концовки предыдущей части. Марти МакФлай, получивший письмо от Дока из 1885 года, находит Эммета Брауна в 1955 году, который только что отправил другого Марти обратно в 1985. Согласно письму, герои отправляются в заброшенные шахты рядом с кладбищем, где Док из 1885 года оставил для Марти поломанный ДеЛориан. На кладбище Док и Марти находят могилу Брауна, надгробный камень на которой гласит, что Док был убит Бьюфордом Танненом 7 сентября 1885 года. В самом низу находится фраза «С любовью, Клара». Несмотря на указания в письме, Марти решает отправиться в прошлое, чтобы спасти друга.
Марти на ДеЛориане прибывает в 1885 год. Тут же на него нападают индейцы, которые стрелой пронзают бензобак машины. МакФлай прячет транспорт в пещере, где он сталкивается с бурым медведем. Убегая от зверя, Марти падает с холма и ударяется головой. Его находит его прапрадедушка Шеймус. Марти просыпается в доме своих предков и говорит, что его зовут Клинт Иствуд. Шеймус обещает помочь герою найти Брауна, работающего кузнецом в Хилл-Вэлли. Добравшись до города, в местном салуне Марти ввязывается в потасовку с Бьюфордом «Бешеным псом» Танненом, после чего пытается убежать. Однако Бьюфорд с помощью лассо ловит МакФлая и собирается повесить его на строительных лесах у здания суда. В последнюю минуту Таннена останавливает Док Браун с винтовкой. Бьюфорд, уезжая, обещает убить учёного. Док вместе с Марти возвращается в кузницу. МакФлай показывает ему сделанное ранее фото надгробия и рассказывает о проблемах с бензином. В кузницу заезжает мэр города, напоминающий Брауну встретить завтра на вокзале приезжающую учительницу по имени Клара Клейтон. Догадавшись, что именно эта Клара поставила надгробие, Док, чтобы не влюбиться в неё, решается не встречать девушку. В попытках придумать, как разогнать машину до необходимой скорости без бензина, сначала герои пытаются использовать для этой цели лошадей, а потом стараются залить в бак крепкий виски. Однако ни один из вариантов не срабатывает. После этого Док решается разогнать автомобиль до 88 миль в час с помощью поезда, выбрав для этого ровный участок дороги у ущелья Клейтон. Осматривая место для будущего прыжка во времени, герои слышат женский крик с быстро несущейся повозки. Им удаётся спасти девушку. Её оказывается Клара Клейтон, в которую Док сразу же влюбляется. Позже Док демонстрирует Марти на макете полноценный план по возвращению назад в будущее: угнав локомотив и отсоединив все вагоны, они переведут стрелку на нужную ветку и будут разгонять ДеЛориан, стоящий на путях. В кузницу приходит Клара с просьбой починить телескоп и приглашает героев на вечерний городской праздник.
На празднике Док и Марти фотографируются около городских часов. Док приглашает Клару на танец. Неожиданно на празднование приходит Таннен, планирующий застрелить Брауна в спину. Марти мешает бандиту исполнить задуманное, но из-за желания не показаться «трусливым цыплёнком» Марти соглашается на дуэль с Бьюфордом 7 сентября в 8 утра, планируя уже к этому времени отправиться назад в будущее. На фотографии с надгробной плиты исчезает имя Брауна. Шеймус рассказывает МакФлаю о своём погибшем брате, который, как и Марти, не хотел казаться трусом для окружающих, по причине чего и погиб от ножа в драке.
После проведённой ночи с Кларой, Док признаётся Марти, что не хочет уже возвращаться домой. Марти удаётся его переубедить. Эммет идёт к Клейтон, чтобы попрощаться. Он рассказывает возлюбленной историю о своём путешествии во времени, но обиженная девушка не верит словам учёного. Док отправляется в салун, где, пожаловавшись одному из посетителей на разбитое сердце, начинает рассказывать о будущем до утра.
Проснувшийся утром Марти обнаруживает пропажу Дока. Тем временем Бьюфорд с бандой уже собираются на место встречи к назначенному времени. Марти находит Дока в салуне и просит его поторопиться. Напоследок Браун выпивает рюмку виски, от чего тут же падает без сознания. МакФлай вместе с барменом пытаются его пробудить. К салуну подходит Таннен, вызывая Марти стреляться. Его подначивают выйти завсегдатаи бара, но Марти, не обращая внимания на обвинения в трусости, решает убежать с очнувшимся Доком через чёрный ход. Героев замечают бандиты, в результате чего Дока ловят, а Марти прячется в соседнем здании. Поскольку Таннен угрожает убить Эммета, Марти, надевший в качестве бронежилета металлическую дверцу, выходит на дуэль. Благодаря защите Марти удаётся обезоружить ошарашенного Таннена после выстрела и победить его в драке. Бьюфорда арестовывают.
В это время Клара садится на поезд, чтобы навсегда уехать в Сан-Франциско. Она слышит разговор своих соседей об убивающемся горем из-за любви Эммете. Остановив поезд, она бежит в кузницу, где видит макет Дока и, поверив в правдивость слов любимого, тут же спешит к железнодорожным путям к ДеЛориану.
Марти и Док угоняют паровоз и начинают разгон автомобиля. В это время к поезду подъезжает Клара. Пока Марти сидит в машине, Док пытается поймать падающую с паровоза Клару, чтобы взять её в будущее. Благодаря летающей доске Марти Доку удаётся спасти Клару, но точка невозврата уже пройдена, и Марти отправляется в будущее без влюблённых.
Марти возвращается в 1985 год. Ему удаётся выбраться из ДеЛориана на железнодорожных путях прямо перед тем, как машину разнесёт поезд. Забрав Дженнифер с крыльца, герои едут в Хиллдейл, где они будут жить спустя тридцать лет. По пути Марти должен был вступить в гонку, в результате которой бы повредил себе руку и был бы уволен в будущем, но МакФлай отказывается в ней участвовать. Дженнифер, глядя на распечатку из будущего, видит, как на ней исчезает надпись «Ты уволен».
Парочка идёт к путям, на которых лежат остатки ДеЛориана. Внезапно перед ними появляется поезд времени, на котором прибывает Док вместе с Кларой и их детьми. Док отдаёт Марти их совместную фотографию из 1885 и отправляется в новое путешествие во времени.
