2017年，母星遭到毁灭的外星流亡者入侵地球。人类虽然用核武器打败对手，但也付出失去家园的惨痛代价。在接下来将近半个世纪的时光中，人类移民泰坦星（土卫六），不过仍有极少部分人类留在故土，扫荡残存的外星掠夺者。杰克·哈珀（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）与维多利亚（安德丽亚·瑞斯波罗格 Andrea Riseborough 饰）即是留守者中的一员，他们的主要任务为保障遍布各地守护水萃取塔的无人机正常运行。看似永无止境的任务终于接近尾声，而就在此刻，不明飞行器坠落一处无人区。杰克在当地发现数名人类伤员，可是他们却遭到无人机的屠杀。危急时刻，杰克救下了一个名为茱莉亚（欧嘉·柯瑞兰寇 Olga Kurylenko 饰）的女子。
这一事件令杰克无意中知晓了掠夺者以及自身背后隐藏的秘密……

格雷 和女友艾莎 相恋多年，两人之间感情非常要好。一天，格雷带着艾莎去拜访一位名叫艾伦 的科学家，艾伦设计了人工智能芯片STEM，令艾莎叹为观止。在回去的路上，格雷和艾莎所乘坐的无人驾驶汽车发生了故障，将两人带往了一处暴徒聚集的贫民窟，在那里，两人遭到了袭击，艾莎不幸丧生，而格雷身受重伤下半身瘫痪。心中充满了痛苦和绝望的格雷想为恋人报仇，于是找到了艾伦，将STEM芯片植入了大脑，在STEM的操纵下，格雷重新站了起来。让格雷没有想到的是，STEM的智慧远远超乎他的想象，而他亦被卷入了一个巨大的阴谋之中。

布朗博士（克里斯托弗•洛伊德 Christopher Lloyd 饰）总是有些稀奇古怪的发明。在一次试验他发明的时光机器时，他找来了忘年交高中生马丁（迈克尔•J•福克斯 Michael J. Fox 饰）。岂料实验过程中博士被歹徒杀害了，马丁慌乱中架着时光机逃跑，回到了30年前。
马丁遇到了30年前的父亲乔治（克利斯丁•格拉夫 Crispin Glover 饰）和母亲洛莲（莉•汤普森 Lea Thompson 饰）。马丁一边找寻30年前的布朗博士，好让自己回到未来；一边尽力撮合乔治和洛莲，以免自己在以后消失了。但乔治为人懦弱，马丁在撮合过程中弄巧成拙让洛莲爱上了自己。还有令人讨厌的贝夫从中作梗，令马丁恼怒不已。
马丁周旋在他的双亲之间，还要尽快找到博士，想办法回到未来……