Un adolescent, Marty, a lié amitié avec un savant excentrique, le docteur Brown. Entraîné à faire l'essai d'une nouvelle invention de Brown, une machine à voyager dans le temps, Marty recule de trente ans et se retrouve en 1955. C'est alors que l'appareil tombe en panne. Pour retourner à son époque, il lui faut compter sur un docteur Brown plus jeune, qu'il arrive à retrouver. Entre-temps, il fait la connaissance de deux adolescents, Lorraine et George, qui seront plus tard ses parents s'ils arrivent à se rencontrer et à s'aimer. Marty joue le rôle de Cupidon, ce qui n'est pas facile du fait que sa future mère semble entichée de lui. Il arrive pourtant à ses fins et remet sa machine en marche avec l'aide de Brown.