A série focalizou Marty McFly e o Doutor Emmett Brown, junto com sua esposa Clara, seus filhos Julio e Verne, seu cão Einstein, e a namorada de Marty, Jennifer Parker, enquanto viajavam no tempo usando o DeLorean e a locomotiva a vapor. O Doutor Brown e sua família se estabeleceram em Hill Valley a partir de 1991 após viverem em 1890. O bandido Biff Tannen dos filmes também teve participação no desenho. Os parentes das famílias de McFly e de Tannen são encontrados em viagens ao passado ou ao futuro. Mary Steenburgen (Clara) e Thomas F. Wilson (Biff) dublaram seus personagens na série, e Christopher Lloyd fez o próprio Doutor Brown no início e no fim de cada episódio, porém, a voz de Emmet no desenho foi fornecida por Dan Castellaneta. Bill Nye executou as famosas “Aulinhas experimentais” durante o final de cada episódio.