马蒂得知博士被困在1885年，立刻去找1955年的博士助他修理时光机，令时光机恢复运作。马蒂惊悉博士写信后不久，被布福·“疯狗”·谭能射杀。马蒂前往1885年救博士，混乱中，时光机的油箱被印第安人的箭撕破，引擎失去效用。博士和女教师克莱拉·克莱顿一见钟情，令博士舍不得离开。马蒂必须在一切都太迟前说服博士和他回到1985年。经过多次戏剧化的动作，包括用火车头推动时光机至88里等，马蒂终于回到1985年，博士则留在1885年和克莱拉一起。当时光机如计划出现在同一条轨道时，一辆现代火车迎面驶来，马蒂及时逃出车厢。马蒂向珍妮佛解释穿越时空和时光机的残骸，他担心博士会永远困在过去里。博士突然出现在一辆新火车改装时光机里，介绍已和博士结婚的克莱拉和他们的儿子。马蒂问博士是否将会去未来，博士答“已到过了”。时光机飞起，驶向镜头，回到未来三部曲就完结了。