Il film comincia dove terminava il primo capitolo, ovvero con Marty e Jennifer che partono insieme allo scienziato Doc, inventore della macchina del tempo, per il 2015 allo scopo di evitare che il futuro dei loro figli possa essere in pericolo. Ma la situazione precipita e ad essere in pericolo non è più il futuro, ma il passato. Marty dovrà tornare nuovamente nel 1955 e...
Anno 2029: un computer chiamato Skynet sta lottando contro un gruppo di resistenza umana, dopo aver distrutto l'umanità nel 1997. Skynet manda nel passato uno dei suoi guerrieri, un cyborg di sembianze umane chiamato Terminator, per uccidere Sarah Connor, la madre del leader della resistenza, prima che dia alla luce suo figlio. La resistenza manda un guerriero di nome Kyle Reese nel 1984 per proteggere Sarah.
Per questa terza, conclusiva, puntata della trilogia, Marty McFly è costretto a tornare indietro nel tempo fino al 1885 per salvare Doc, che vi era stato catapultato al termine del secondo capitolo. Questa volta tornare nel futuro sarà ancora più difficile.
Nonostante l'ordine di non intervenire nello scontro tra la flotta stellare ed i "Borg", l'Enterprise si rivolge verso la Terra e riesce a distruggere la nave aliena. Non c'è neppure il tempo di festeggiare che una navicella di salvataggio Borg, espulsa dal veicolo madre, fugge ed intraprende un viaggio a ritroso nel tempo verso la Terra del post conflitto atomico per "assorbirne" tutti gli abitanti ed impedire il primo contatto con una razza aliena, quello che le avrebbe consentito il decisivo passo evoluzionistico verso la Federazione unita dei pianeti. L'Enterprise la segue, ma mentre cerca di assicurare che la storia abbia il giusto corso, viene invasa dagli stessi cibernetici extraterrestri che di nascosto salgono a bordo ed iniziano ad assorbire i membri dell'equipaggio.
L'ammiraglio Kirk e il suo equipaggio decidono di tornare sulla Terra con lo Sparviero (ribattezzato HMS Bounty) catturato ai Klingon nel precedente episodio (Star Trek III: Alla ricerca di Spock), tutti rassegnati a subire la corte marziale per avere sottratto e distrutto la nave stellare USS Enterprise. Avvicinandosi al pianeta ricevono però un messaggio che avvisa che la Terra è sotto l'attacco da parte di una misteriosa e invulnerabile sonda spaziale aliena, che cerca di mettersi in comunicazione con le balene megattere, la cui specie però è estinta da tempo.
Jenna Rink è una ragazzina insoddisfatta della propria vita. Infatti è sfruttata dalle ragazze del "sestetto", di cui vorrebbe fare parte, e ha una cotta non corrisposta per Chris Grandy, il ragazzo più carino della scuola. Alla festa per i suoi 13 anni, delusa, si chiude nello sgabuzzino e desidera di avere 30 anni. Grazie alla polvere magica che il suo migliore amico Matt, segretamente innamorato di lei, ha sparso sulla casa delle bambole che le ha regalato, Jenna si ritrova improvvisamente all'età di 30 anni.Allo sconvolgimento seguito al fatto di ritrovarsi nel corpo di una trentenne, in un mondo profondamente cambiato, farà seguito la consapevolezza di aver realizzato tutti i suoi sogni di ragazzina. Ma con gli occhi e la testa da tredicenne Jenna si accorgerà di aver raggiunto tutti quegli obiettivi lasciando dietro di sé troppe cose, in quei 17 anni che è come se non avesse vissuto. Così cerca di recuperare il rapporto con i genitori e soprattutto con Matt.
Peggy, assieme alla figlia ventenne, va ad una festa di ex studenti dove viene eletta reginetta. Dall'emozione Peggy sviene ritrovandosi nel 1960 ma con tutta l'esperienza degli anni trascorsi.
Jennifer, che da poco ha perso il suo caro amico Jack, inizia una relazione epistolare con un ammiratore segreto che sembra conoscerla molto bene.
Alex Furlong, celebre pilota automobilistico, muore durante una gara nel 1991. In realtà non muore perché il suo corpo viene trafugato giusto un attimo prima da una banda di sicari che viene dal futuro. Alex si sveglia in una sala operatoria del 2009 e scopre che qualcuno sta cercando di utilizzare il suo corpo per immettervi il proprio cervello. Il progresso scientifico lo permette, ma Alex fa di tutto per evitarlo. Era dai tempi di "Performance" (1970) che Mick Jagger non partecipava a un film. Per quali strampalati motivi avrà rotto il digiuno proprio con questo? E Hopkins? Per quali vili moventi si sarà lasciato convincere a unire il suo nome a questo filmetto?
In un 2008 alternativo, gli Stati Uniti vivono sul baratro del collasso economico e sociale dopo un attacco atomico subito tre anni prima, il Mondo è nel disordine per via dei cambiamenti climatici. In una Los Angeles che sta per festeggiare il 4 di luglio, si intrecciano i destini di Boxer Santaros (The Rock), divo del cinema in preda ad un’amnesia, Krysta Now (Sarah Michelle Gellar), una ex pornostar che cerca costruirsi un nuovo futuro, e Roland Taverner (Seann William Scott), agente di polizia che detiene inconsapevolmente la chiave di una vasta cospirazione antisistema.
In una Chicago del futuro, dove i viaggi nel tempo sono un business, Charles Hatton è capo della Time Safari Inc, ditta specializzata in battute di caccia nella preistoria, che devono svolgersi facendo attenzione a non alterare o prelevare qualsiasi oggetto o forma di vita del passato.Uno dei cacciatori calpesta e uccide inconsapevolmente una farfalla, quello che sembrava essere un episodio di poca rilevanza, sconvolgerà gli equilibri causando un radicale cambiamento nel futuro e mettendo a rischio l'esistenza dell'intera umanità. La semplice sparizione della farfalla dall'ecosistema di 65 milioni di anni prima, fa sì che nel tempo presente si creino delle onde temporali a scadenza periodica, ed ognuna di esse alteri progressivamente l'ecosistema, ma anche la flora e la fauna del tempo presente.