Marty McFly apprend que Doc Brown est coincé en 1885, dans le Far West, après avoir été frappé par la foudre à la fin du deuxième opus. Déterminé à sauver son ami, Marty utilise la DeLorean réparée pour voyager jusqu'en 1885, où il découvre un Doc tombé amoureux de la belle Clara Clayton. Mais le passé n'est pas de tout repos : Doc est menacé par le redoutable Bufford Tannen, ancêtre de Biff, qui veut sa peau. Marty doit alors aider Doc à construire un moyen de retourner dans le futur, tout en évitant que l'histoire ne soit modifiée par leurs interventions dans le vieux West.