1955년에 남겨진 마티는 박사의 흔적을 찾는다. 브라운 박사가 1855년으로 갔음을 알게 되고, 폐광 속에 숨겨져 있던 드로리안을 찾아낸다. 1855년의 서부에 도착한 마티는 드로리안의 고장으로 곤경에 빠지지만, 맥플라이 가문의 선조인 세이머스와 매기 부부의 도움을 받고 박사도 만난다. 고장 난 드로리안으로 시간 여행을 하기위해서는 그에 달하는 속도가 유지되어야 하고, 박사와 마티는 그 속도를 얻기 위해 기관차를 이용할 위험한 계획을 세운다. 하지만 박사는 여교사인 클라라와 사랑에 빠져서 그 시대에 남고 싶어한다.