1955년에 남겨진 마티는 박사가 1885년으로 갔음을 알게 된다. 그의 흔적을 찾아보니 드로리안은 폐광 속에 숨겨져 있었다. 그러나 그가 비프(토마스 F. 윌슨 분)의 선조인 매드독 태넌(토마스 F. 윌슨 분)의 총에 맞아 죽었다고 쓰여진 비석을 발견하고는, 박사를 구출하기 위해 위험한 시간 여행을 감행한다.

1885년의 서부에 도착한 마티는 드로리안의 고장으로, 맥플라이 가문의 선조인 세이머스(마이클 J. 폭스 분)와 매기(리 톰슨 분) 부부의 도움을 받게 되고 박사도 만난다. 고장 난 드로리안으로 시간 여행에 필요한 속도를 얻기위해서 기관차를 이용하려는 위험한 계획이 세워지지만, 박사는 여교사인 클라라(매리 스틴버겐 분)와 사랑에 빠져서 그 시대에 남고 싶어하고 원래 박사가 당하게 되어있던 매드독 태넌과의 결투를 마티가 떠맡게되는 사건이 발생한다. 마티는 기지를 발휘해 매드독과의 결투에서 이기고, 기관차는 질주하기 시작한다.

박사는 자기를 쫓아온 클라라와 남기로 결심을 하고, 마티는 그들과 작별 인사를 한 후 무사히 1985년으로 돌아온다. 드로리안은 완전히 파괴되고, 인간적으로 성숙해진 마티 앞에 새로운 타임머신을 가지고 박사가 다시 나타난다. 그리고 말한다.
"미래는 백지야. 자네가 직접 만드는 것이라네, 멋진 인생을."