马丁从他生活的八十年代来到了1955年，根据好朋友埃米博士于1885年留下的信件，马丁找到了博士研制的时空穿梭机。本以为可以乘坐着这台机器回到未来，马丁却意外发现了博士的墓碑，原来他在留下那封信后不久便被人杀害。为了拯救埃米博士，马丁依据博士在七十年前留下的信，他和1955年的博士找到了藏在矿洞中的时间机器。在博士的帮助下，马丁乘坐时空穿梭机来到了1885年的美国西部。马丁化名克林特·伊斯特伍德来到小镇找到了当时从事铁匠工作的博士，正当他们准备离开小镇时，才发现漏油的时空穿梭机在当时无法得到燃油的供给，无奈之下博士想到了利用火车头的推力使时空穿梭机达到每小时88公里，这样机器就可以正常运转了。在现场勘察时，博士和马丁救下了因马匹受惊而险些跌入峡谷的年轻女教师克莱拉小姐，博士与她一见钟情。小镇上的无赖特恩一直在找博士的麻烦，为了证明他在小镇中的地位，他甚至想要谋杀博士。根据1955年发现的墓碑上的记载，博士被害的日期马上就要到了。博士和马丁准备返程的计划马上就可以实现了，但特恩却在头一天的舞会上找到博士，企图将他杀害，是马丁将博士救下，并和特恩相约在第二天的早上决斗。马丁知道这是唯一可以让博士免于遇难的方法。马丁利用智谋和勇气战胜了特恩，特恩被警察带走，马丁改变了历史！马丁坐上了时空穿梭机，在离开小镇的那一刻，博士决定留下来和心爱的克莱拉生活在一起。马丁告别了博士转瞬间回到了他生活的八十年代，感觉一切就像是一场梦。当马丁带着女友来到已经损毁的时空穿梭机前时，博士突然带着克莱拉和两个儿子出现在这里。他研制了新的时空穿梭机，并开始了与家人的时空旅行。