Die Handlung beginnt mit der Wiederholung der letzten 2 Minuten aus dem zweiten Teil, als am 12. November 1955 um 22:04 Uhr der Blitz in die Rathausuhr von Hill Valley einschlug und Marty McFly mit Hilfe von Dr. Brown im zur Zeitmaschine umgebauten DeLorean zurück in die Zukunft reiste, der andere Marty aus der Zukunft kurz darauf auf Brown zuläuft, ihn anspricht und dieser in Ohnmacht fällt.

Am nächsten Tag zeigt Marty dem Dr. Brown des Jahres 1955 den Brief, den er vom Dr. Brown aus dem Jahr 1885 erhalten hatte. In dem vom 1. September 1885 datierten Brief schreibt Brown, dass er glücklich als Schmied im „Wilden Westen“ des Jahres 1885 lebe und er den Wagen in einem Stollen versteckt habe, da die Elektronik der Zeitmaschine beschädigt wurde. Sie suchen den Stollen im Jahr 1955 auf und finden auch den Wagen, dabei stoßen sie jedoch in der Nähe auf einen Grabstein des Dr. Brown aus dem Jahr 1885, datiert auf den 7. September 1885, also nur sechs Tage nachdem er den Brief geschrieben hatte. Als Todesursache wird angegeben, dass er von Buford Tannen wegen einer Angelegenheit um 80$ in den Rücken geschossen wurde.

Die Zeitmaschine kann mit Bauteilen aus den 50er Jahren repariert werden und Marty reist damit zum 2. September 1885 zurück, um Brown vor dem Tod zu retten. Die Zeitreise beginnt in einem Autokino, wobei Marty direkt auf ein Plakat zufährt, das Indianer auf Pferden darstellt. Auf seinen Einwand, dass er in die Indianer fahren würde, entgegnet Doc Brown, dass dort im Jahr 1885 keine Indianer seien. Bei der Ankunft findet jedoch gerade eine Verfolgungsjagd zwischen Indianern und der Kavallerie statt. Deswegen versteckt Marty den Wagen in einer Höhle. Während der Verfolgungsjagd wurde durch einen Indianerpfeil eine Benzinleitung beschädigt, wodurch Benzin ausläuft. In der Höhle taucht außerdem ein Bär auf. Auf der Flucht vor diesem stürzt Marty einen Abhang hinunter und wird ohnmächtig. Als er aufwacht, befindet er sich auf der Farm der aus Irland eingewanderten Familie McFly, offensichtlich seine Vorfahren. Marty gibt ihnen gegenüber an, sein Name wäre Clint Eastwood.

In Hill Valley besucht er einen Saloon und trifft dort auf Buford „Mad Dog“ Tannen und seine Bande. Er gerät mit ihnen aneinander und sie wollen gerade Marty hängen, als Doc Brown auftaucht und ihn rettet. Marty erzählt ihm von der Grabinschrift und davon, dass die Inschrift von einer Clara erstellt wurde, welche offenbar seine Geliebte war. Brown kennt allerdings keine Clara. Als der Sheriff später Brown daran erinnert, dass er sich freiwillig gemeldet hatte, die neue Lehrkraft von Hill Valley vom Bahnhof abzuholen, erwähnt er ihren Namen: Clara Clayton. Da es entgegen den Grundsätzen des Wissenschaftlers Brown ist, die Geschichte durch eigenes Eingreifen zu verändern und Bindungen einzugehen, entscheidet er sich, nicht zum Bahnhof zu gehen und die Frau somit nicht zu treffen.

Um mit der Zeitmaschine wieder in die Zukunft zurückzukehren, müssen sie jedoch den Wagen auf die dafür notwendigen 88 Meilen pro Stunde (≈ 141 km/h) beschleunigen, was aufgrund des ausgelaufenen Benzins nicht mehr so ohne weiteres möglich ist. Beim Versuch, den Motor mit hochprozentigem Alkohol laufen zu lassen, wird die Einspritzanlage beschädigt, so dass die Zeitreise mit eigenem Antrieb unmöglich wird. Sie finden die Lösung in einer Dampflokomotive, die den DeLorean auf die nötige Geschwindigkeit bringen soll.

Brown kennt eine geeignete, geradlinige und ebene Bahnstrecke, welche zur Clayton-Schlucht führt. Brown bemerkt, dass auf einer aktuellen Karte diese Schlucht Shonash-Schlucht genannt wird. Bei der Inspektion der Gleise rettet Brown einer Frau das Leben, deren Kutschpferde durchgegangen waren und auf die Schlucht zurasten. Die Frau stellt sich als Clara Clayton vor und beide verlieben sich ineinander. Brown erkennt nun, dass die Schlucht eigentlich nach der Lehrerin benannt werden sollte, weil diese in die Schlucht gestürzt wäre. Er hat somit die Geschichte verändert.

Buford Tannen versucht auf einem Fest, Brown zu erschießen, doch Marty geht dazwischen. Von Tannen herausgefordert, verabredet Marty sich mit ihm für den folgenden Montag - den Tag ihrer geplanten Abreise - zu einem Duell. Am Tag davor teilt Brown Marty mit, dass er nicht in die Zukunft zurückreisen wolle, da er hier seine große Liebe gefunden habe, will aber auf seinen Verstand hören, verabschiedet sich daher von Clara und verbringt die Nacht im Saloon.

Dort findet ihn Marty am nächsten Morgen. Er will sich noch mit Doc vor dem Duell mit Tannen drücken, dessen Handlanger schnappen jedoch Doc und zwingen ihn so dazu. Beim Duell wirft Marty seine Waffe weg, Tannen gibt einen Schuss ab und Marty geht zu Boden. Als Tannen siegessicher vor ihm steht, entwaffnet ihn Marty und es kommt zu einer Schlägerei, an deren Ende Tannen im Mist landet und festgenommen wird - Marty hatte sich die Eisentür eines Ofens vor den Körper geschnallt, was die Kugel abgefangen hat.

Indessen ist Clara bereits mit dem Zug losgefahren, erfährt jedoch durch ein Gespräch, dass Doc sie nicht verlassen wollte, sondern wirklich liebt. Sie zieht die Notbremse, eilt zurück ins Dorf, findet die Pläne der beiden und reitet Doc hinterher. Dieser erreicht mit Marty inzwischen den Zug, sie koppeln die Waggons ab und fahren mit der Lok auf die Strecke, auf der sie die Zeitmaschine geparkt haben. Clara holt sie schließlich noch ein, sie und Doc schaffen es jedoch nicht mehr ins Auto. Marty erreicht alleine in der Zeitmaschine kurz vor der Schlucht die nötige Geschwindigkeit und kehrt ins Jahr 1985 zurück, wo die Schlucht inzwischen den Namen Eastwood-Schlucht trägt, da man glaubte, er wäre zusammen mit der Dampflokomotive in die Schlucht gestürzt. Als kurz darauf ein moderner Eisenbahnzug auf dem Gleis entgegenkommt, kann Marty gerade noch rechtzeitig aus der Zeitmaschine springen, die jedoch dabei komplett zerstört wird.

Plötzlich kommt Brown mit seiner Frau Clara aus der Vergangenheit in einer zur Zeitmaschine umfunktionierten Dampflokomotive im Jahr 1985 an. Er stellt Marty seine beiden Kinder Jules und Verne vor und verabschiedet sich mit seiner Zeitmaschine mit den Worten: „Deine Zukunft ist noch nicht geschrieben. Die Zukunft ist, was du daraus machst.“

Quelle: WikiPedia DE