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。

传说用耶稣在最后的晚餐中用到的圣杯喝水，便能长生不老。在一次掘金活动中，记载圣杯的碑石被发现，圣杯存在的可能吸引着大批的疯狂的人展开寻找。印第安纳琼斯博士（Harrison Ford饰）也是他们中的一员，甚至连他的父亲老琼斯（Sean Connery饰）也陷入其中——但他给琼斯留下圣杯的笔记后便不知所踪。
踏上威尼斯的土地，琼斯和事先约好的史奈达博士（Alison Doody饰）会面，他们在图书馆里凭线索找到圣盾后，却开始遭到莫名的来自十字剑兄弟的追杀。
一番波折后，琼斯终于找到了老琼斯，同时，史奈达的纳粹身份暴露，笔记被抢走。圣杯随时都有可能落入纳粹的手中。
于是，琼斯父子俩开始联袂上演拯救圣杯的精彩大戏！