依据博士在七十年前留下的信，马丁和1955年 的博士找到了藏在穴矿中的时间机器。马丁无意间发现在1885年的博士在寄信后不久就将被杀，于是又乘着时间机器赶往1885年。
马丁成功抵达， 但油箱却不慎破损。 马丁遇上了他的祖先威廉并受到照顾，他化名来到了建立之初的小镇，却遇上了贝夫的祖先邓彪福，并受到迫害。在危急之际，博士救下了马丁。
博士得知了将要发生的事情并准备和马丁一起回到未来，但油箱的破损却使时间机器无法行驶到所需的速度。博士想出了利用火车的方法，并在实地勘测时救下了女教师克丽，两人一见钟情。
在晚会上，马丁从邓彪福手下救出了博士，但他却接受了与邓彪福决斗的挑战。博士与喜欢科幻小说的克丽感情日深，但必须返回未来一事却使他颇伤脑筋。在返回未来的前一天夜里，博士去与克丽告别。在克丽的追问下，博士说出了时间旅行的秘密，却被克丽误解。博士万念俱灰，前往酒馆欲借酒浇愁，而伤心的克丽也要离开小镇。
马丁醒来后找到了博士，但正要离开时博士却因醉酒而晕睡，使马丁面临与邓彪福的决斗的危机。马丁弄醒博士后想逃之夭夭，但博士却落入了邓彪福的手里。马丁急中生智，利用铁板护身，打败了邓彪福。
马丁和博士开始实行他们的计划，而克丽在火车上得知了博士对她的真情后，也赶来寻找博士。博士的计划顺利实施， 但克丽赶到后却陷入了危境。 为了救克丽，博士错过了回到未来的时机。
时间机器成功地把马丁送回了1985年，但却不幸被毁，马丁无法再去接回博士。他找到了女友珍妮和她一同出游，由于时间旅行的经历改变了马丁的急性子，使马丁避免了未来的灾难。马丁和珍妮来到时间机器被毁的地方，对博士无法回来而感到忧伤，但就在此时，博士却驾着新的时间机器出现在马丁和珍妮面前。他已经和克丽结了婚并有了孩子。在告诉马丁“未来的一切都是未定的”这一道理之后，博士又继续开始了他的时间之旅。
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