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……
皮博迪（泰·布利尔 Ty Burrell 配音）是一条与众不同的小狗，它拥有绝伦无比的高智商，因此注定拥有迥异于同类的“狗生”。它持有哈佛学位，成功开发了新能源，圆满解决地缘政治，还创立了属于自己的公司。皮博迪偶然机缘下收养了和它有着类似经历的人类小孤儿舍曼（麦克斯·查尔斯 Max Charles 配音），它如同慈父一般悉心教育着他的儿子，并利用自己开发的时光机带舍曼回到未来每一个重要时刻，亲身经历书本上枯燥的历史事件。转眼舍曼到了上学的年龄，他丰富的历史知识得到老师表扬，却也引来高傲的小姑娘佩妮·彼得森
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
