Un homme est confronté à son passé lors d'une expérience qui tente de trouver une solution aux problèmes d'un monde post-apocalyptique causé par une guerre mondiale.
Nous sommes en l’an 2035. Les quelques milliers d’habitants qui restent sur notre planète sont contraints de vivre sous terre. La surface du globe est devenue inhabitable à la suite d’un virus ayant décimé 99 % de la population. Les survivants mettent tous leurs espoirs dans un voyage à travers le temps pour découvrir les causes de la catastrophe et la prévenir. C’est James Cole, hanté depuis des années par une image incompréhensible, qui est désigné pour cette mission.
En 1985, Marty, un adolescent comme les autres, mène une existence morne et ennuyeuse. Heureusement, il est épris de la jolie Jennifer et entretient une profonde amitié avec Doc, un savant fou qui prétend avoir inventé une machine à explorer le temps. Un jour, Doc invite Marty à l'essayer…