Hill Valley, Californie, octobre 1985. Marty McFly est un lycéen guitariste dont la famille vivote : son père George est un souffre-douleur, toujours sous la coupe de son ancien camarade de classe Biff Tannen, et sa mère Lorraine noie sa mélancolie dans la vodka. Son meilleur ami est un savant excentrique, le Dr Emmett « Doc » Brown.
Une nuit, sur le parking du Twin Pines Mall, Doc dévoile son invention : une DeLorean DMC-12 transformée en machine à voyager dans le temps, alimentée au plutonium. Lorsque les terroristes libyens auxquels Doc a dérobé le combustible surgissent et l'abattent, Marty s'enfuit au volant de la voiture, atteint 88 miles à l'heure… et se retrouve le 5 novembre 1955.
Sans plutonium pour repartir, Marty retrouve le Doc de 1955. Mais en sauvant son futur père d'un accident, il a pris sa place : c'est désormais de lui que Lorraine est tombée amoureuse. Marty a une semaine pour réunir ses parents au bal « Enchantement sous la mer », avant de s'effacer de l'existence, et pour capter l'éclair qui frappera la tour de l'horloge le samedi 12 novembre à 22 h 04, seule source capable de fournir 1,21 gigowatt.
De retour en 1985, Marty découvre une famille transformée : George, qui a enfin tenu tête à Biff en 1955, est devenu un auteur de science-fiction à succès. Mais Doc surgit, revenu de 2015 : il faut partir immédiatement, quelque chose doit être fait au sujet des enfants de Marty.
Un annuaire de lycée à l'origine de tout
Bob Gale a eu l'idée du film en feuilletant l'annuaire de lycée de son père, dont il découvre qu'il était président de sa promotion. Il se demande alors s'il aurait été ami avec lui s'ils avaient été camarades de classe.
Refusé par tous les studios
Le scénario a essuyé des dizaines de refus. Les studios le trouvaient trop gentil face aux comédies potaches de l'époque, tandis que Disney le jugeait au contraire trop osé à cause de l'attirance de Lorraine pour son propre fils.
Le pari d'À la poursuite du diamant vert
Après deux échecs commerciaux, Robert Zemeckis savait qu'il ne pourrait faire le film qu'après un succès. Le triomphe d'À la poursuite du diamant vert (1984) lui ouvre les portes d'Universal, avec Steven Spielberg comme producteur exécutif.
« Spaceman from Pluto »
Le patron d'Universal, Sid Sheinberg, voulait rebaptiser le film « Spaceman from Pluto », jugeant le mot « futur » peu vendeur. Spielberg lui répondit par une note feignant de croire à une plaisanterie, ce qui enterra l'idée.