前作のラストシーンで、タイムマシンのデロリアンが飛行中落雷に打たれ、ドクは1885年に飛ばされてしまった。しかし、そのドクがマーティに送られるように手配していた手紙の指示通り、マーティはPART1のラストで別れたばかりの1955年のドクと再会。1985年に帰るために鉱山に封印されたデロリアンを掘り起こす。だが、マーティは鉱山付近の墓地で“エメット・ブラウン”の名が彫られた墓石を偶然発見し、手紙を書いた約一週間後の1885年9月7日に、ドクがビフの祖先であるビュフォード・タネンに銃殺されるのを知ってしまう。
ドクを救う為、マーティは1955年のドクの協力の下、修理したデロリアンで、手紙の消印の翌日となる1885年9月2日午前8時00分へとタイムトラベルする。しかしタイムトラベルした直後、インディアン[4]の大群と騎兵隊に遭遇し熊にも襲われ、坂から転げ落ちて気絶してしまう。そこで自分の祖先にあたるシェイマスとその妻のマギーに助けられ、彼らの協力でヒルバレーにたどり着いたマーティだったが、不運にもビュフォード・タネンに出くわしてしまった。彼に因縁をつけられたマーティは危うく殺されそうになるが、間一髪のところでドクに助けられ、再会を果たす。
しかし肝心のデロリアンは自走不能になっていた。様々な方法を試した末、最終的に蒸気機関車でデロリアンを押して走らせる作戦を考える。だがドクは峡谷に転落して死ぬはずだった女性、クララ・クレイトンを助けた挙げ句、恋に落ちてしまう。マーティもドクを狙うビュフォードを止めようとするが、ビュフォードの挑発に乗ってしまい決闘する羽目になる。
ドクは大いに悩んだ末、クララと別れることを決心し、クララに「未来に帰る」と告げるが、クララにはそれを信じてもらえず、ドクは心に深い傷を負う。
マーティはその後、酒屋でウィスキーを飲み、昏倒したドクを起こそうとしている途中、まだ8時前であるにも関わらずタネンに呼び出され、酔いから覚めたドクを人質に取られる。マーティはドクを救うためビューフォードと決闘し、見事勝利。2人はすぐに出発し、計画通り蒸気機関車をハイジャックしデロリアンに乗り込もうとするが、人づてにドクの話が真実だったということを知ったクララがなんと追いかけてきたのだった。
ドクはクララも連れて行こうとするが、クララは機関車からデロリアンに移動する途中、最後の強化燃料が点火しボイラーが爆発、下に落ちそうになってしまう。ドクはマーティが万一に備えて1955年から持ち込んだ2015年製のホバーボードを使ってクララを助けたが、そのせいでドクはデロリアンに乗り遅れ、ドクは帰れなくなってしまったのだった。
無事に1985年に戻ることができたマーティだったが、その直後、デロリアンが電車に轢かれ、バラバラになってしまった。もう永久にドクとは会えない、とマーティが恋人のジェニファーとドクとの別れを悲しんでいると、そこに蒸気機関車の形をしたタイムマシンが現れる。ドクは1885年に取り残された後、タイムマシンを新しく作ったのだった。ドクはクララと結婚し、2人の息子をもうけていた。ドクは「君たちも、いい未来を創りたまえ」といい残し、どこかへ走り去って行った。
