Marty en Doc zijn nog maar net bijgekomen van hun eerste tijdreis avontuur, als ze zich opnieuw in het ruimte - tijd continuüm begeven. Maar dit keer proberen ze in het jaar 2015 de toekomst bij te stellen. Hierdoor blijkt Hill Valley in 1985 echter te zijn veranderd in een bijna onherkenbaar, bizar stadje, waar pestkop Biff Tannen rijk en machtig is en.. Marty's vader! Nu kunnen ze het heden alleen nog rechtzetten door opnieuw terug te gaan naar 1955. Maar kunnen Doc en Marty het verleden herstellen zonder dat er een tijdparadox ontstaat die het universum aan flarden scheurt?

Voormalig wonderkind Frank en Casey - een pientere, optimistische tiener die barst van de wetenschappelijke nieuwsgierigheid - delen hetzelfde lot. Samen gaan ze op een gevaarlijke missie om de geheimen te onthullen van een mysterieuze plek die zich in een andere dimensie bevindt, en alleen bekend staat als Tomorrowland. Na wat ze daar moeten doen zal de wereld - en zijzelf - nooit meer hetzelfde zijn.