Оказавшись в гараже Эмметта Брауна, Марти находит в макете центральной площади города, сделанном Доком в 1955 году, дневник с его записями. Бифф успевает заметить это и не позволяет Марти забрать записную книжку. Тогда тот вынужден прибегнуть к хитрости, воспользовавшись глупостью Биффа, юноша подстраивает всё так, что с Биффом происходит то же, что и с Марти в начале первого фильма, когда тот подключил гитару к усилителю — воспользовавшись слабостью Таннена, Марти забирает из макета записную книжку Дока.

Между тем, у гаража Эмметта Брауна неожиданно появляется ДеЛореан, на переднем сиденье которого находился любимый пёс учёного, Эйнштейн. Марти сразу понимает — Док попал в беду. Но есть одна проблема — юноша не знает, где и когда «застрял» Док. С помощью Эйнштейна Марти узнаёт, что туфелька, которую он нашёл в салоне ДеЛореана, принадлежала Эдне Стрикленд — она потеряла её около 50 лет назад, когда, работая журналисткой в Хилл-Вэлли, столкнулась на улице с Эйнштейном. В квартире пожилой дамы Марти находит архивы местной газеты Хилл-Вэлли за всё время её существования, а от самой Эдны узнаёт, что в городе существовал подпольный завод по производству алкоголя во времена «сухого закона», который сгорел в результате поджога.

Марти выясняет, что Дока обвиняют в пожаре, и юноша отправляется в Хилл-Вэлли 13 июня 1931 года, когда в городе всем заправлял гангстер Кид Таннен, который убьёт Дока, предположительно чуть было не разрушившего его бизнес. Оказавшись в 1931 году, Марти находит Дока в тюрьме: согласно плану Дока, его молодая «версия», работающая клерком у своего отца, судьи Брауна, в городской мэрии, именно в это время работает над изобретением бурильной установки. Зайдя в суповую столовую, чтобы позвонить домой Эмметту, Марти видит там своего деда Артура и становится свидетелем того, как человек, очень похожий на Биффа, делает Артуру выговор, а затем отбирает шляпу. Как оказалось, это был отец Биффа Кид… Встретившись с молодым Доком, Марти тайно следит за ним, слыша обрывки бормотаний юноши, но не может понять, о чём идёт речь. Он записывает молодого Эмметта на диктофон и даёт послушать запись Доку. Тот подсказывает Марти, как он может найти общий язык с Эмметтом.

Удивившись научным познаниям Марти, Эмметт принимает его за сотрудника патентного бюро, куда юный Браун подал заявку некоторое время назад. Марти уговаривает его за одну ночь построить бурильную мини-установку, с помощью которой можно будет устроить побег Дока, запертого в городской тюрьме. Но есть несколько проблем: во-первых, по указанию своего отца, с которым, как выяснил Марти, у Эмметта не самые простые отношения (юный изобретатель скрывает своё увлечение наукой от отца, который видит будущее сына в судебной отрасли), Эмметт должен доставить повестку в суд деду Марти, Артуру МакФлаю, работающему бухгалтером у Кида Таннена, а на это нужно время, ведь Артур до смерти боится Таннена и прячется, иначе, получив повестку, он будет вынужден давать показания против своего босса. Во-вторых, бурильная установка, по задумке Эмметта, работает на топливе, которое нелегко достать в обстановке «сухого закона», а именно, — на алкоголе. Марти обещает Эмметту помочь найти и Артура, и топливо, но при условии, что тот обязательно закончит своё изобретение тем же вечером.

Первым делом, Марти решает найти Артура. В руках Кида он замечает шляпу своего деда, отобранную накануне, и тут же, использовав старый трюк «Эй, что это там такое?!», юноша вырывает шляпу из рук Таннена и бросается прочь. Кид и его приспешник Мэтчес начинают преследовать Марти, но с помощью Эмметта ему удаётся скрыться вместе со шляпой. Чтобы найти Артура, Марти даёт Эйнштейну понюхать его шляпу, и пёс приводит Марти и Эмметта к той самой квартире, где в 1986 году живёт Эдна Стрикленд. Позвонив в дверной звонок, друзья узнают, что в этом времени здесь живёт Артур.