Dr. Emmett Brown(Christopher Lloyd) leiutab autost ajamasina, millega ta saaks reisida tulevikku, kuid ööl, mil ta seda imepärast leiutist katsetab lastakse Dr. Brown maha, temaga kaasas olnud 17-aastane Marty McFly(Michael J. Fox) põgeneb ajamasinaga Emmetti tapjate eest ja satub aastasse 1955, kus ta segab kogemata ära tema vanemate esmakordse kokkusaamise ning juhtub ka selline keeruline asi, et Marty ema armub temasse. Nüüd on ajalugu sassi löödud ning tal tuleb abistada George McFly'd(Crispin Glover), et ta saaks kokku Lorraine Bainesiga(Lea Thompson), sest muidu ei sünni Marty't. Muidugi pole asi lihtne ning ega tagasi 80-ndatesse tagasi pöörduda, sest ajamasina tööks on vaja väga võimast jõudu ja Marty peab abipalvega pöörduma noore Dr. Emmett Browni poole. Marty ülesanded pole kerged, sest kaalul on tema enda elu.

Dr. Evil (Mike Myers) kasutab enda leiutatud "Ajamasinat" ning rändab tagasi aastasse 1969. Just sel aastal külmutati nii ta ise kui ka Austin Powers (ka Myers). Ajas rändamise eesmärgiks on varastada Powersile elutähtis Mojo, ilma milleta pole salaagendi elu enam sama. Kui Powers on teelt kõrvaldatud, ei segaks enam miski maailma vallutamast.

Dr. Evil (Mike Myers) ja Mini-Mina (Verne Troyer) on põgenenud vanglast ning löönud kampa salapärase Kuldliikmega (ka Myers). Et peatada nende järjekordseid maailmavallutamisplaane, peab Austin Powers (samuti Myers) jälitama neid läbi aja ning lõpuks leiab enda vastased aastast 1975, kus püüab neid koos kunagise tüdruksõbra Foxxy Cleopatra'ga (Beyonce Knowles) peatada.