מרטי (מייקל ג'יי פוקס) מוצא את עצמו בשנת 1885, בעיצומו של המערב הפרוע, תקופה שבה הכל נראה שונה ומסוכן מאי פעם. לאחר שהדוק בראון (כריסטופר לויד) נתקע שם, מרטי מחויב לעזור לו לחזור לעתיד, אך המשימה מסתבכת כשמכונית הדלוריאן זקוקה לדלק, שהשגתן אינה פשוטה במאה ה-19. בנוסף, המכונית אינה מסוגלת להגיע למהירות הנדרשת כדי להפעיל את המכונה בזמן. השניים מוצאים פתרון יצירתי ומסוכן: הם מתכננים להשתמש ברכבת כדי להאיץ את הדלוריאן למהירות הנדרשת, מה שמוביל אותם למירוץ נגד הזמן ולסכנות רבות.
במקביל, סבא של ביף, האויב המושבע של מרטי, מתכנן להפריע להם ולמנוע את הצלחת המשימה, מה שמוסיף לחץ ומתח לסיפור. מרטי ודוק חייבים לנווט בין סכנות המערב הפרוע, להתמודד עם אויבים מסוכנים ולמצוא דרך להפעיל את המכונה בזמן, אחרת הם יישארו תקועים בעבר לנצח. במהלך ההרפתקה, מרטי פוגש את קלרה (מרי סטרינבורגן), שמוסיפה נופך רומנטי ומורכב לסיפור, ומעמיקה את הקשר בין הדמויות. הסיפור מתפתח במהירות, עם רגעים של מתח, הומור והרפתקאות, כשהגיבורים נאבקים לא רק על חייהם אלא גם על עתידם. המסע בזמן הופך למאבק הישרדות מורכב שבו כל החלטה קריטית, וכל רגע חשוב, והם חייבים לנצל כל הזדמנות כדי להצליח לחזור הביתה בשלום. בסופו של דבר, מרטי ודוק מצליחים להפעיל את הדלוריאן בעזרת הרכבת, כשהם מתמודדים עם יריות, מרדפים ואירועים בלתי צפויים. קלרה מחליטה להישאר בעברה, בעוד מרטי חוזר לעתיד עם לקחים חשובים על אומץ, חברות ואהבה. הסרט מסתיים בתחושת סגירה, כשהגיבורים מבינים שהמסע בזמן הוא לא רק טכנולוגיה, אלא גם הזדמנות לשנות את עצמם ואת חייהם. "בחזרה לעתיד 3" משלבת בצורה מושלמת אקשן, דרמה וקומדיה, ומותירה את הצופים עם תחושת נוסטלגיה והרפתקה בלתי נשכחת.
