Hill Valley, 1985. Marty McFly, adolescent typique des années 1980, est déçu par sa situation familiale. Son père, timide, couard, ne supportant pas le conflit, s'écrase sans cesse devant son chef Biff Tannen, qui l'oblige à rédiger ses propres rapports. Sa mère Lorraine boit beaucoup ; très possessive, elle s'indigne que son fils sorte avec Jennifer et le met souvent en garde. Son frère est bien mal parti aussi. Marty a pour ami un extravagant scientifique, le Docteur Emmett Brown, dit « Doc ». Ce dernier a mis au point une machine à voyager dans le temps au terme de trente ans de recherche, machine prenant la forme d'une DeLorean DMC-12 modifiée. Il lui fait une démonstration de son invention en envoyant son chien Einstein une minute en avant dans le temps, sous l'œil de la caméra de Marty. Mais Doc est soudainement assassiné pour avoir trompé des terroristes libyens en leur subtilisant du plutonium, nécessaire pour transmettre les 2,21 gigawatts dans le convecteur temporel afin de voyager dans le temps (Le terme « gigowatt » de la version française est incorrect. De plus, la version originale parle de 1,21 gigawatt et non 2,21) . Marty, pour s'échapper, monte dans la voiture, met involontairement les circuits temporels en marche et franchit la barre des 88 miles par heure (141.62 km/h). Il se retrouve projeté à Hill Valley à la dernière date inscrite par Doc sur le cadran, date correspondant au soir de la révélation qui a amené Doc à créer le convecteur temporel… le 5 novembre 1955. Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue. Projeté à cette époque, Marty veut rentrer chez lui ; une fois arrivé, au lieu de voir sa maison et celles des voisins, il ne trouve qu'un chantier. Puis il croise ses parents, encore étudiants, et sauve son père d'un accident de la circulation en étant renversé à sa place par la voiture de son futur grand-père maternel. Marty se réveille le soir 9 heures plus tard ; sa mère tombe amoureuse de lui en le soignant (l'effet Florence Nightingale). Marty a donc pris la place de son père, qui avait connu sa mère lors de cet accident (c'est une variante du paradoxe du grand-père ou du complexe d'Œdipe). Marty va donc tout faire pour inciter Georges, son père à inviter Lorraine sa mère à la féerie dansante des sirènes (bal de fin d'année où les parents de Marty se sont embrassés pour la première fois dans le cours du temps original), afin qu'ils tombent amoureux et lui éviter sa disparition, ainsi que celles de son frère et de sa sœur. Il ira jusqu'à s'introduire un soir dans la chambre de son père, déguisé en "Dark Vador, de la planète Vulcain", pour l'inciter à inviter Lorraine. En parallèle, il sera aidé par le Doc (en 1955, donc plus jeune), qui ne le connaît évidemment pas encore, et à qui il parvient tant bien que mal à expliquer toute l'histoire et à le convaincre en lui parlant de sa récente révélation sur le convecteur temporel. Doc remarquera un tract de 1985 dans les affaires de Marty, indiquant que la foudre s'apprête à tomber sur l'horloge de l'Hôtel de Ville dans une semaine, soit le soir du bal. Il décide donc de canaliser l'énergie de l'éclair pour les 2.21 Gigowatts nécessaires pour le convecteur, tandis que Marty essaiera de réparer son erreur tout en en profitant pour aider son père à se défendre de Biff, dont il est déjà le souffre-douleur, et sa mère à ne pas continuer de boire et de fumer.