9岁的乔治这天迎来了一个弟弟——小白鼠斯图亚特。这是他爸爸妈妈从孤儿院领回来的可爱精灵，会说话，有智慧，并且很希望有自己的家。然而，乔治却不喜欢斯图亚特，不愿意和他作伴。斯图亚特为此颇为犯愁。更令它处境不妙的是，它成为了肥猫眼中的佳肴，在虎视眈眈下过着冒险的生活。
乔治参加了一个航模赛，但是他却一路遭到挫折，先是父亲没能帮他做好模型，当模型好不容易做成了，遥控器却在比赛那天被别人踩坏。在乔治每一次陷入困难的时候，正是斯图亚特机敏勇敢的出手相助，让乔治顺利过关。斯图亚特努力的付出，终于被小乔治接纳，这只小白鼠在乔治家中得到了温暖的归属。

马丁（Michael J. Fox 饰）才回到现实世界与女友团聚，布朗博士（Christopher Lloyd 饰）就心急火燎地把他们带到了30年后的未来世界，原来这一次是马丁未来的两个孩子因参与抢劫锒铛入狱，博士要携马丁一起阻止悲剧发生。
周旋一番后，两个孩子被成功挽救，但三人回到现实世界后，却发现周遭发生了天翻地覆的变化，世界被贝夫（Thomas F. Wilson饰）所控制，马丁的父亲乔治惨死，母亲洛莲（Lea Thompson 饰）竟然成了贝夫的妻子！
这一切都是因为时光机器的秘密不慎被未来的老贝夫识破，他偷偷回去捣鬼，竟因此使得整个世界都在他的掌握下！马丁与博士再次踏上时光穿梭的征途，希望将世界扳回正轨。