Le deuxième film de la trilogie commence là ou finit le premier (Marty est de nouveau dans son époque après s'être involontairement retrouvé dans les années 50).


Il reçoit la visite du Docteur Brown, qui après avoir fait un voyage dans le futur, informe Marty que sa descendance est en danger.


Pour la sauver, Marty doit partir avec Doc en 2015 et s'opposer à Griff Tannen ("légèrement court-circuité des implants bioniques"), petit-fils de Biff Tannen ...


Après avoir accompli sa mission, Marty achète un almanach des sports retraçant l'ensemble des victoires sportives entre 1950 et 2000 avec l'intention de s'enrichir en rentrant dans son époque. Le Doc le dissuade de le faire, et l'almanach est jeté dans une poubelle sous les yeux du vieux Biff Tannen.


On s'aperçoit que Marty a aussi son Biff Tannen en la personne de Douglas Needles (et si sa femme Lauren-Ann était la fille de Tannen, à cause du prénom Lauren (Lorraine ?)).


Ce dernier s'en empare, parvient à emprunter la machine à voyager dans le temps à l'insu du Doc et Marty, et remonte dans le passé se le donner à lui-même plus jeune. Puis il revient avec la machine et meurt (une scène coupée montre que Biff disparaît. Cela laisse supposer qu'il a été tué entre le 26 octobre 1985 et le 21 octobre 2015) .


Marty et le Doc prennent la machine pour revenir à leur époque en 1985 mais ils y trouvent un monde totalement modifié de celui qu'ils connaissaient : le père de Marty a été assassiné et sa mère s'est remariée avec Biff, les journaux annoncent que le Doc a été interné dans un hôpital psychiatrique, et surtout Biff Tannen est devenu un milliardaire très puissant grâce à l'almanach que lui a donné son double.


Marty apprend par Biff Tannen que le vieux Biff lui a donné l'almanach en 1955 ... à la même date où Marty a expérimenté son premier voyage temporel ! Arrivés en 1955, le Doc et Marty parviennent à subtiliser l'almanach qui vient d'arriver dans les mains du jeune Biff : la vraie réalité est restaurée et l'almanach est brûlé pour éviter qu'il ne tombe dans d'autres mauvaises mains. Mais au moment de revenir dans le futur, la Delorean où se trouvait le Doc disparait en étant frappée par la foudre, sous les yeux de Marty désemparé.