Buckaroo Banzai, un prestigioso científico, neurocirujano, piloto de carreras, cantante de rock y héroe de cómics, en una de sus investigaciones, abre una puerta a otra dimensión. El problema es que la referida dimensión está siendo empleada como cárcel por una raza alienígena, y la Tierra se ve amenazada de ser invadida o destruida por la policía alienígena. De modo que Buckaroo, con ayuda de su guardaespaldas, sus colegas científicos, el grupo de rock, algunos de sus fans, un embajador alienígena y un cantante de country tejano tomará cartas en el asunto...

Marty McFly sigue en 1955 y su amigo Doc ha retrocedido al año 1885, la época del salvaje oeste. Éste le envía una carta donde comenta que la máquina del tiempo está averiada, y que es imposible repararla. Sin embargo no le preocupa estar atrapado en el pasado, pues allí es muy feliz trabajando de herrero aunque convive con malhechores. Pero Marty descubre una vieja tumba en la que lee que Doc murió en 1885 y, sin pensárselo dos veces, irá a rescatar a su amigo.

Aunque a Marty McFly todavía le falta tiempo para asimilar el hecho de estar viviendo dentro de la familia perfecta gracias a su anterior viaje en el tiempo, no le queda ni espacio para respirar cuando su amigo Doc aparece de improviso con la máquina del tiempo (mucho más modernizada), e insta a que le acompañen él y su novia a viajar al futuro para solucionar un problema con la ley que tendrá uno de sus futuros hijos.

La victoria del almirante Kirk sobre Khan y la creación del planeta Génesis son triunfos inútiles. Spock ha muerto y McCoy, inexplicablemente, se ha vuelto loco. Una visita de Sarek, el padre de Spock, revela algo sobrecogedor: McCoy está albergando en su cuerpo la esencia vital de Spock. Kirk trata de ayudar a sus amigos, secuestra el Enterprise y desafía la cuarentena impuesta por la Flota Estelar en Génesis. Pero los Klingon también descubren la existencia de Génesis y van al encuentro de Kirk en una cita que podría ser mortal.

El adolescente de los ochenta Marty McFly es enviado accidentalmente al pasado, a 1955, interrumpiendo sin darse cuenta el primer encuentro de sus padres y atrayendo el interés romántico de su madre. Marty debe reparar el daño a la historia reavivando el romance de sus padres y, con la ayuda de su excéntrico amigo inventor Doc Brown, regresar a 1985.