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Los viajes en el tiempo de Marty McFly están a punto de llegar a su fin. Después del accidente que sufre el Doc Brown en 1955, enviándolo al año 1885, Marty decide, al cabo de una serie de eventos, rescatar a su amigo en el pasado, con la ayuda del Emmett Brown de 1955, el cual se sorprende mucho de ver a Marty cuando acababa de irse. La única esperanza que le queda a Marty de volver a ver a los suyos es encontrar la máquina del tiempo. El Doc al ir al pasado dejó el De Lorean en una cueva y ha estado allí 70 años. ¨Marty y Emmett encuentran la máquina y, como en el 2015 el Doc modifico la máquina para que funcionase con basura en vez de plutonio, Marty puede ir al futuro o a donde quiera.
Se despide del Doc y emprende el ultimo viaje, pero el cual no es volver a 1985: sino ir en busca del Doc en el Viejo Oeste y traerlo de vuelta. Esto lo hace puesto que en frente de la cueva donde estaba oculta la máquina, encuentra la tumba del Doc, indicando que había muerto una semana después de enviarle la carta, por Bufford Tannen, por un problema de 80 dólares.

Marty emprende el viaje y al llegar, unos indios Sioux lo persiguen para matarlo, da marcha atras y se esconde en una cueva, en donde descubre que las flechas de los indios han pinchado el tanque de combustible y luego, apenas logra salvarse de un oso que se encontraba alli.

Al igual que en las dos primeras cintas, Marty sufre un accidente, se desmaya y termina en la casa de sus antepasados, la Granja McFly. Ahí Marty conoce a su tatarabuelo, Seamus McFly y su esposa Mary. Una escena memorable es en donde el hijo de Seamus y Mary, el bisabuelo de Marty, le echa la orina en la cara.

Poco después Marty se recupera del accidente y va en busca del Doc Brown. En su viaje llega al centro de Hill Valley, que en ese entonces no es más que un pueblito en el desierto, con poquisimos habitantes. Al entrar a una taberna se encuentra con Buford Tannen el abuelo de Biff, el pistolero más rápido de la zona. Marty asume una nueva identidad: nada menos que Clint Eastwood. Desafía a Tannen pero éste es mucho más fuerte y casi mata a Marty, de no ser por la aparición del Doc, que ahuyenta a Tannen.

El Doc se había convertido en herrero y era muy respetado. Al encontrarse, ambos se alegran mucho, pero enseguida el Doc le reprocha a Marty el no haber vuelto a 1985. En uno de sus paseos encuentran a una mujer madura a punto de caer en un abismo, y el Doc la salva. Esa mujer era Clara Clayton (interpretada por Mary Steenburgen)la cual se enamora del Doc. Marty y el Doc deciden volver a 1985 una semana después de eso. En ese periodo de tiempo tan corto pasan muchas aventuras y situaciones divertidas, como en un baile en el centro de Hill Valley, donde el Doc y Clara van juntos. Marty esta vez enfrenta al rústico e ignorante Buford Tannen usando su chispeante ingenio. Esto hace que Tannen desafie a Marty a un duelo a muerte.

Marty se siente acorralado y no sabe si volver a su tiempo o aceptar el reto. Para colmo, Clara y el Doc terminan su relación al decirle el Doc la verdad de su origen. Clara cree que estuvo jugando con ella y decide irse del pueblo el mismo dia del duelo Tannen-McFly. El Doc se deprime y trata de emborracharse, pero no aguanta ni un trago y se desmaya al primer vaso de whisky.

Marty decide enfrentarse a Tannen, éste logra dispararle y cuando pensó que había ganado, Marty se levanta y con unos cuantos golpes noquea a Buford. El secreto: el clásico chaleco antibalas (lo saco de una pelicula de Clint Eastwood que veía Biff en el hotel, en la pelicula 2).

Todo el pueblo celebra el triunfo de "Eastwood" y el Doc se despierta, indicándole a Marty que deben partir a 1985. Debido a la falta de gasolina (algo que no se conseguía con facilidad en la época) Marty y el Doc pusieron la máquina del tiempo al frente de un tren para que alcanza la velocidad requerida. Pero antes de partir, Clara aparece, arrepentida de lo que hizo y deseando ir con ellos. El Doc toma entonces la decision de su vida: dejar todo atrás y vivir para siempre con Clara. Marty entonces regresa solo a 1985.

Al llegar lo encuenta todo como estaba antes de sus viajes. Lamentablemente, un tren bala destruye la máquina del tiempo, que tantos problemas había causado. Marty regresa a casa, donde sus padres y luego busca a Jennifer, quien no cree que todo haya sido un sueño y va con Marty a ver los restos del De Lorean. En el camino, Marty evita un accidente que pudo haberle fracturado la mano (lesión que se observa en la película 2), por lo que vive sereno y muy feliz al saber que su futuro esta en sus manos.

Al llegar a la vía ferroviaria y luego de ver los destrozos, aparece un tren antiguo, volando y dentro de él, el Doc Brown, Clara y sus dos hijos (Julio y Verne). El Doc le da su ultimo consejo a Marty: El futuro puede ser cambiado, todo depende de tus decisiones.