มาร์ตี้ แม็กฟลาย วัยรุ่นอายุ 17 ปี อาศัยอยู่ที่ฮิลล์วัลเลย์ รัฐแคลิฟอร์เนีย เช้าวันศุกร์ที่ 25 ตุลาคม ค.ศ. 1985 ดร. เอ็มเม็ตต์ บราวน์ (แสดงโดย ลอยด์) นักวิทยาศาสตร์สติเฟื่องเพื่อนต่างวัยของมาร์ตี้ โทรศัพท์มาขอนัดเขาเวลา 1:15 น. ที่ทวินไพน์สมอลล์ในเช้าวันถัดไป หลังจากเข้าชั้นเรียน เขากับแฟนที่ชื่อเจนนิเฟอร์ (คลอเดีย เวลส์) ถูกขอให้บริจาคเงินเพื่อบูรณะหอนาฬิกาที่หยุดเดินไปตั้งแต่เมื่อ 30 ปีที่แล้ว หลังจากฟ้าผ่าลงหอนาฬิกา ในเย็นวันนั้นระหว่างเดินเข้าบ้าน เขาก็พบว่ารถของครอบครัวเขาพังไป ภายในบ้าน พ่อของเขาผู้อ่อนแอที่ชื่อจอร์จ (คริสปิน โกลเวอร์) กำลังถูกระรานจากหัวหน้าเขาที่ชื่อ บิฟฟ์ เทนเน็น (โทมัส เอฟ. วิลสัน) ที่ขอยืมรถของพวกเขาไปแล้วทำพัง ในมื้อเย็นวันนั้น แม่ของมาร์ตี้ที่ชื่อ ลอร์เรน (ลีอา ธอมป์สัน) เล่าความหลังถึงตอนที่เธอและจอร์จพบกันครั้งแรกโดยที่พ่อของเธอขับรถชนจอร์จ โดยบอกว่าจอร์จกำลังดูนกอยู่

ในคืนนั้น มาร์ตี้ได้พบด็อกตามนัดที่ลานจอดรถของทวินไพน์สมอลล์ ด็อกได้นำเสนอเดอลอรีน ดีเอ็มซี-12 ที่ดัดแปลงมาเป็นยานไทม์แมชชีน โดยให้มาร์ตี้ถ่ายทำเทปวิดีโอไว้ ด็อกอธิบายถึงโปรแกรมในการเดินทางข้ามผ่านเวลาที่ต้องให้รถวิ่งที่ความเร็ว 88 ไมล์ต่อชั่วโมงโดยใช้พลังงานพลูโตเนียมจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดพลังงาน 1.21 จิ๊กกะวัตต์ การสาธิตอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์ ด็อกได้กดเวลาเป้าหมาย ณ วันที่ 5 พฤศจิกายน ค.ศ. 1955 โดยเขาอธิบายว่าเป็นวันที่เขาเกิดแนวคิดในการสร้างเครื่องแปรพลังงาน(ฟลักซ์คาพาซิเตอร์) อุปกรณ์ที่ทำให้การเดินทางข้ามเวลาเป็นไปได้ ก่อนที่ด็อกวางแผนที่จะเดินทางไปอนาคต จู่ ๆ กลุ่มผู้ก่อการร้ายชาวลิเบีย ที่ด็อกไปขโมยพลูโตเนียมมา ไล่ล่าเขาด้วยรถแวนโฟล์คสวาเกน จนฆ่าเขาได้ มาร์ตี้กระโดดเข้าเดอลอรีนและถูกวิ่งกวดมาจนถึงความเร็ว 88 ไมล์ต่อชั่วโมง จึงทำให้เดินทางข้ามเวลากลับไปที่ปี ค.ศ. 1955 โดยทันที

เมื่อมาถึงปี 1955 รถวิ่งเข้าคอกสัตว์และใช้การไม่ได้ มาร์ตี้จึงซ่อนรถไว้แล้วเดินเข้าไปในเมือง เขาพบจัตุรัสในเมืองที่บ่งบอกถึงยุคสมัย 1950 และเห็นหอนาฬิกาที่ยังใช้การได้ มาร์ตี้เดินเข้าร้านกาแฟ และพบกับพ่อของเขาเองที่กำลังถูกข่มเหงจากบิฟฟ์อยู่ จากนั้นมาร์ตี้ได้ตามจอร์จ และพบว่าจอร์จกำลังปีนต้นไม้เพื่อแอบดูผู้หญิงเปลี่ยนเสื้อผ้าอยู่ ไม่ใช่ดูนก จอร์จตกลงจากต้นไม้และจะถูกรถชน มาร์ตี้ผลักเขาออกไป ทำให้ตัวเองถูกรถชนแทน ซึ่งคนขับชนก็คือพ่อของลอร์เรน เมื่อพามาร์ตี้ไปพักรักษาที่บ้าน ผลคือลอร์เรนหลงรักมาร์ตี้แทนจอร์จ มาร์ตี้พยายามบ่ายเบี่ยงการเกี้ยวพาราสีจากแม่ของเขาเองและพบว่าครอบครัวของแม่เป็นครอบครัวที่เคร่งครัดเจ้าระเบียบไม่เหมือนกับแม่ของเขาที่รู้จัก เขาผละตัวจากเธอเพื่อพยายามตามหาด็อก บราวน์

มาร์ตี้เข้าพบกับด็อก นักวิทยาศาสตร์ที่เห็นว่ามาร์ตี้เสียสติ มาร์ตี้พยายามทำให้ด็อกเชื่อว่าเขามาจากปี 1985 โดยเล่าเรื่องราวของด็อกถึงที่มาของการผลิตเครื่องแปรพลังงาน (ฟลักซ์คาพาซิเตอร์) และได้โชว์วิดีโอเทปการทดลองในปี 1985 อย่างไรก็ตามแต่เมื่อถึงตอนที่ด็อกตอนแก่ (ในวิดีโอ) อธิบายว่าจะต้องใช้พลังงานจำนวนมากที่ใช้เดินทางข้ามเวลาก็ทำให้เขาช็อกไป ด็อกบอกแก่มาร์ตี้ว่านอกจากพลูโตเนียม ซึ่งจะหาได้ยากแล้ว สิ่งเดียวที่มีพลังงานเท่านั้นคือ พลังงานจากฟ้าผ่าซึ่งไม่สามารถรู้ล่วงหน้าได้ มาร์ตี้ก็นึกขึ้นได้ว่าจะมีฟ้าผ่าลงหอนาฬิกาที่จะเกิดขึ้นในวันเสาร์ที่จะถึง ด็อกจึงได้เริ่มวางแผนที่จะใช้ประโยชน์จากฟ้าผ่าในการส่งมาร์ตี้กลับไปยังปี 1985

นอกจากนี้ มาร์ตี้ยังพบว่ารูปถ่ายของเขากับพี่ชายและพี่สาว เริ่มมีบางอย่างผิดปกติ โดยภาพพี่ชายของเขาเริ่มจากหายไป ด็อกสรุปว่าเป็นเพราะมาร์ตี้ ช่วยพ่อของเขาจากการถูกรถชน แล้วแม่ของเขากลับมาตกหลุมรักเขาเสียเอง เป็นการทำให้อนาคตบิดเบือนไป ซึ่งเขาจะต้องแก้ไขเรื่องที่ทำพลาดไปนี้

หลังจากล้มเหลวจากความพยายามที่นัดทั้งคู่ออกเดทกัน มาร์ตี้วางแผนว่าจะพาลอร์เลนไปงานเต้นรำที่โรงเรียน (ซึ่งตรงกับเวลาที่เขาจะเดินทางกลับอนาคต) แล้วเขาจะลวนลามเธอ จากนั้นก็ให้จอร์จเข้ามาช่วย เพื่อเป็นการพิชิตใจเธอ อย่างไรก็ตาม เมื่อถึงเวลาตามแผนบิฟฟ์ได้เข้ามาอย่างไม่ได้คาดการณ์ไว้และให้แก๊งค์เขาจับตัวมาร์ตี้ไปขังไว้หลังรถของนักดนตรี จากนั้นบิฟฟ์เข้าไปในรถแล้วพยายามลวนลามลอร์เรน จอร์จมาพอดีตามแผนของมาร์ตี้ที่วางไว้ แต่ก็ช็อกที่เจอบิฟฟ์แทนมาร์ตี้ บิฟฟ์บอกให้เขาไปไกล ๆ แต่จอร์จไม่อาจทนได้ที่ลอร์เรนถูกลวนลาม จึงต่อยเขาเข้าเต็ม ๆ จนหมอบลงกับพื้น ลอร์เรนจึงเกิดหลงรักจอร์จที่ช่วยเหลือเขาอย่างสุภาพบุรุษก็เข้าไปงานเต้นรำ ที่ที่ทั้งสองจูบกันครั้งแรก และทำให้มาร์ตี้กลับมามีตัวตนอีกครั้งแทนที่จะเลือนหายไป

ขณะเดียวกัน ด็อกได้ใช้สายเคเบิลเชื่อมต่อกับเสาล่อฟ้าของหอนาฬิกาเข้ากับโคมไฟสองข้างถนน โดยวางแผนว่าจะให้มาร์ตี้ใช้เดอลอรีนวิ่งผ่านสายไฟที่ขึงข้ามถนนขณะที่เกิดฟ้าผ่า ก่อนที่มาร์ตี้จะไปตั้งหลัก ด็อกก็พบกับจดหมายที่มาร์ตี้เขียนขึ้นในกระเป๋าเสื้อคลุม ซึ่งเตือนเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตว่าเขาจะถูกฆ่าตาย ด็อกฉีกจดหมายทิ้งทั้ง ๆ ที่ยังไม่ได้อ่าน และอธิบายว่ามันอาจเป็นอันตรายต่ออนาคต มาร์ตี้จึงปรับเปลี่ยนเวลาที่จะย้อนกลับให้เร็วขึ้นกว่าเดิม 10 นาที เพื่อหวังว่าเมื่อกลับถึงอนาคตแล้วเขาจะมีเวลาเตือนด็อกเพื่อไม่ให้ถูกยิง หลังจากที่มาถึงอนาคต รถก็ใช้การไม่ได้อีก มาร์ตี้จึงมาถึงลานจอดรถช้าเกินไปที่จะช่วยด็อก ขณะที่มาร์ตี้ร้องไห้อยู่ ร่างของด็อกก็ลุกขึ้นและรูดซิปเสื้อกันกัมมันตภาพรังสีออก โชว์ให้เห็นเสื้อเกราะกันกระสุน ด็อกได้ให้มาร์ตี้ดูจดหมายที่มาร์ตี้เขียนไว้ในอดีตที่ทำมาปะติดใหม่ด้วยเทป จากนั้นด็อกตัดสินใจเดินทางข้ามเวลาไปยังอนาคตในอีก 30 ปีข้างหน้า

ในเช้าวันต่อมา มาร์ตี้พบว่าฐานะของครอบครัวเปลี่ยนไป ลอร์เรนดูหุ่นดีและดูไม่จู้จี้จุกจิก จอร์จเป็นนักประพันธ์ที่ดูมีความมั่นใจ ส่วนบิฟฟ์ก็ได้รับใช้จอร์จแทน ส่วนเจนนิเฟอร์กับมาร์ตี้ก็กลับมาเจอกันอีกครั้ง ด็อกมาพบทั้งคู่ด้วยท่าทีลนลาน บอกว่าเขากลับมาจากอนาคตและจะพาพวกเขาทั้งคู่ไปอนาคตด้วยกัน เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นกับลูก ๆ ในอนาคตของทั้งสอง ฉากจบของเรื่อง รถเดอลอรีนได้เพิ่มสมรรถนะให้บินได้ และหายไปกับอนาคต