Do rắc rối gây ra bởi cỗ máy thời gian của tiến sĩ lập dị Emmett, Marty trở về quá khứ 30 năm trước và gặp bố mẹ cậu khi đó còn rất trẻ. Sự xuất hiện của cậu khiến tất cả đảo lộn. Marty phải tìm mọi cách để đưa mọi việc trở về đúng vị trí của nó và nhờ tiến sĩ Emmett giúp trở về hiện tại.
Marty McFly (Michael J. Fox) và tiến sĩ Emmett Brown (Christopher Lloyd) là hai người bạn thuộc hai thế hệ khác hẳn nhau nhưng có chung niềm đam mê khám phá. Cậu Marty hậu đậu và tốt bụng, ông tiến sĩ đầu bạc phơ nhưng vô cùng lập dị và hoạt bát. Mặc dù mọi người cảnh báo Marty không nên giao du với một người kỳ dị như tiến sĩ Emmett, cậu không thể rời bỏ người bạn già thân thiết mà cậu vô cùng yêu quý.
Một ngày nọ, tiến sĩ Emmett hoan hỉ khoe thành quả nghiên cứu mới của ông - đó là cỗ máy thời gian có khả năng đưa người ta đến bất kỳ thời điểm nào trong quá khứ cũng như tương lai mà họ muốn. Trong lúc hai bác cháu đang say sưa tìm tòi tác phẩm thì một bọn khủng bố ập đến. Tiến sĩ Emmett bị bắn gục tại chỗ. Marty hoảng hốt lao vào cỗ máy thời gian và phóng vút đi.
Khi tốc độ lên tới 150 km/h thì một điều bất ngờ xảy ra. Cỗ máy bất ngờ biến mất vào không trung. Khi Marty định thần trở lại thì thấy mình đang ở một nơi hoàn toàn xa lạ. Cỗ máy thời gian đã đưa cậu về năm 1955 - ba mươi năm về trước. Lúc này mẹ cậu chỉ là cô gái Lorraine Baines (Lea Thompson)17 tuổi xinh xắn dễ thương, còn bố cậu là anh chàng George McFly (Crispin Glover) ngốc nghếch và hậu đậu. Sự xuất hiện của Marty khiến mọi việc đảo lộn.
Rắc rối lớn nhất là mẹ Lorraine không để ý gì tới cây si ngốc nghếch - bố George McFly - mà lại đem lòng yêu mến anh chàng Marty với phong cách nổi bật khác hẳn với những chàng trai của thập niên 50. Marty hoảng hốt khi thấy anh chị mình lần lượt biến mất trong tấm ảnh cậu mang theo. Chính cậu đã làm xáo trộn quá khứ và hậu quả của nó đang hiển hiện trong bức ảnh.
Marty tìm mọi cách đưa mọi việc trở về đúng chỗ của nó. Cậu nhớ lại lời kể của bố mẹ về nụ hôn đầu tiên trong buổi dạ hội Say đắm Đại dương. Marty tìm gặp George để thuyết phục anh chàng này tiếp cận Lorraine bằng mọi giá. Cậu lên một kế hoạch hoàn hảo để xây dựng hình ảnh một anh chàng George hào hiệp trong vở kịch “anh hùng cứu mỹ nhân” do chính cậu làm đạo diễn và diễn viên chính. Tuy nhiên mọi việc xảy ra không đúng như kịch bản do có sự phá đám của những bạn học càn quấy của George. Sau những biến cố “chết người”, cuối cùng Marty đã đạt được mục đích. Cậu sung sướng nhìn George và Lorraine hôn nhau trong buổi dạ hội. Các anh chị Marty cũng xuất hiện trở lại trong bức ảnh.
Một việc không kém phần quan trọng là Marty phải tìm cách trở về hiện tại. Ngay những ngày đầu tiên sống trong quá khứ, Marty đã đi tìm tiến sĩ Emmett, lúc này cũng đang say sưa với những nghiên cứu kỳ quặc của mình. Tiến sĩ không thể tin câu chuyện của Marty cho đến khi cậu đưa ra những chứng cớ thuyết phục. Hai bác cháu tìm cách khôi phục cỗ máy thời gian và năng lượng là một vấn đề nan giải nhất. Cách duy nhất là phải thu năng lượng từ tia sét đánh vào tháp đồng hồ trong đêm thứ 7. Liệu hai bác cháu có thành công trong khoảnh khắc hiếm hoi ấy? Liệu Marty có trở về được hiện tại hay tiếp tục sống một cuộc sống của quá khứ 30 năm trước?
Sự kết hợp hoàn hảo của kịch bản, đạo diễn phim và các diễn viên chính đã tạo nên thành công cho bộ phim trong thập kỷ 80 của thế kỷ trước. Câu chuyện xoay quanh cỗ máy thời gian - lúc đầu dự kiến là một thiết bị laser hoặc một chiếc tủ lạnh nhưng cuối cùng các nhà làm phim quyết định dùng chiếc xe DeLorean. Khi Robert Zemeckis tung ra ý tưởng làm bộ phim này, hãng Walt Disney đã từ chối hợp tác vì họ cho rằng phim có nội dung khiếm nhã khi để bà mẹ trong quá khứ yêu đứa con trai của mình. Tuy nhiên hãng Universal lại nồng nhiệt đón chào kịch bản phim này. Trên thực tế cậu con trai Marty do Michael J. Fox đóng chỉ trẻ hơn bà mẹ Lorraine đúng 10 ngày và già hơn bố George 3 tuổi.
