Il segmento finale della trilogia di Ritorno al Futuro vede Marty McFly nel selvaggio West del 1885. Nel tentativo di salvare Doc dal nonno fuorilegge di Bill Tannen, Marty dissotterra la vecchia Delorean, le monta nuove gomme, indossa un costume da cowboy e si dirige verso il passato per impedire che Doc si innamori e si lasci assassinare.
Ritorno al Futuro Parte III è stato girato in California e Arizona ed è stato prodotto con un budget di 40 milioni di dollari in contemporanea con la Parte II. La Parte III uscì negli Stati Uniti il 25 maggio 1990, sei mesi dopo il capitolo precedente, e incassò 245 milioni di dollari in tutto il mondo durante la sua prima uscita, diventando il sesto film di maggior incasso del 1990. Il film ricevette una risposta positiva da parte della critica, che lo considerò un miglioramento rispetto al suo predecessore.
Nel 1955, pochi istanti dopo aver assistito alla scomparsa di Emmett "Doc" Brown nella sua DeLorean, Marty McFly scopre che Doc è stato mandato nel 1885. Utilizzando le informazioni contenute nella lettera di Doc del 1885, Marty e il Doc del 1955 trovano e riparano la DeLorean in modo che Marty possa tornare nel 1985. Tuttavia, dopo averla trovata, Marty si imbatte in una lapide con il nome di Doc, con l'iscrizione che afferma che Doc è stato ucciso dal bisnonno di Biff Tannen, Buford "Cane Pazzo" Tannen, sei giorni dopo aver scritto la lettera.
Nonostante gli avvertimenti della lettera, Marty viaggia fino al 1885 per salvare Doc, arrivando nel bel mezzo di un inseguimento della cavalleria da parte dei nativi americani e strappando il tubo del carburante dell'auto. Inseguito da un orso, viene stordito e trovato dai suoi trisnonni di origine irlandese Seamus e Maggie McFly, che gli permettono di rimanere per la notte. Il mattino seguente, sotto lo pseudonimo di Clint Eastwood, arriva a Hill Valley ma si scontra con Buford e la sua banda. Buford tenta di impiccare Marty, ma Doc lo salva. Doc accetta di lasciare il 1885 dopo aver appreso il suo destino, ma senza benzina la DeLorean non può raggiungere le 88 miglia orarie richieste (142 km/h). Propone quindi di utilizzare una locomotiva a vapore per spingere la DeLorean a quella velocità.
Mentre ispeziona un raccordo ferroviario, Doc salva Clara Clayton, la nuova insegnante della città, dalla caduta nel burrone, evitandole la morte nella linea temporale originale. I due si innamorano a prima vista e instaurano un rapporto stretto. Durante una festa cittadina per il tribunale, Buford tenta di sparare a Doc, ma Marty lo sventa. Buford lo sfida alla resa dei conti tra due giorni; Marty, arrabbiato, accetta, ritenendo che lui e Doc se ne sarebbero già andati. Doc esorta Marty a non reagire alle provocazioni, lasciandosi sfuggire che in futuro Marty avrà un incidente che gli cambierà la vita.
Sebbene sia riluttante a tornare nel 1985, Doc va a trovare Clara per porre fine alla loro relazione e dirle addio. Tuttavia, sentendosi offesa, la donna respinge la sua storia di venire dal futuro. Sconfortato, si dà all'abbuffata. Al mattino, Buford arriva per Marty, che vede il suo pseudonimo apparire nella fotografia della lapide e si rifiuta di duellare. Doc sviene dopo un colpo e alla fine si rianima ma viene preso in ostaggio dalla banda di Buford, costringendo Marty al duello. Ingannando Buford e facendogli credere di essere stato colpito mortalmente, Marty lo fa cadere in un carro di letame. Buford viene subito arrestato per una precedente rapina.
Sul treno per San Francisco, Clara scopre che Doc ha il cuore spezzato e torna in città. Trova il modello della macchina del tempo nel suo negozio. Capendo che Doc stava dicendo la verità, torna indietro per intercettarlo. Utilizzando una locomotiva rubata, Doc e Marty spingono la DeLorean lungo la linea ferroviaria. Clara sale sulla locomotiva e cerca di raggiungere l'auto, ma cade, rimanendo appesa al vestito. Marty, a bordo della DeLorean, passa il suo hoverboard a Doc, che lo usa per salvare Clara e portarla in salvo. Marty raggiunge le 88 miglia orarie e scompare mentre la locomotiva cade dal ponte incompiuto.
Arrivato nel 1985, Marty fugge dalla DeLorean impotente appena prima che un treno merci in arrivo la distrugga. Riunito con Jennifer, Marty rifiuta una corsa in strada con Douglas J. Needles, evitando così l'incidente futuro da cui Doc lo aveva messo in guardia. Jennifer apre il fax che ha conservato dal 2015 e assiste alla scomparsa del testo relativo al licenziamento di Marty.
Mentre Marty e Jennifer esaminano i rottami della DeLorean, appare improvvisamente una locomotiva a vapore, gestita da Doc, Clara e i loro figli. Doc dà a Marty una foto che li ritrae accanto all'orologio della città nel 1885. Quando Jennifer chiede a Doc del fax vuoto, lui risponde che significa che il loro futuro non è ancora stato scritto e li incoraggia a farne uno buono. Doc e la sua famiglia si congedano e volano via con la locomotiva verso un'epoca sconosciuta.