עלילת הסידרה ממשיכה מהמקום בו הפסיקה עלילת הסרט השלישי בסידרה – דוק בראון מחליט לעבור ולחיות בשנת 1991 בעיירה היל וואלי יחד עם אשתו קלרה, ילדיהם ז'ול ו-ורן וכלבו איינשטיין. בדומה לכל סרטי "בחזרה לעתיד", המסע בזמן בסידרה המצוירת מתאפשר באמצעות מכונית דלוריאן, אשר כביכול נבנתה מחדש לאחר שהושמדה בסוף הסרט השלישי. בנוסף, הדמויות נוסעות בזמן גם באמצעות הקטר אותו דוק הסב למכונת זמן בסוף הסרט "בחזרה לעתיד 3".
למרות שלאורך הסידרה מרטי מקפליי והחברה שלו ג'ניפר פארקר מופיעים מדי פעם, עלילת הסידרה המצוירת מתמקדת בעיקר בהרפתקאותיהם של דוק ומשפחתו. בריון העיירה ביף טאנן מופיע גם כן מעת לעת. בנוסף, קרובי משפחתם של משפחת מק'פליי ומשפחת טאנן מופיעים בתפקידים רבים גם בעבר וגם בעתיד. שלא בדומה לסדרת הסרטים אשר עלילתם מתרחשת בעיירה היל וואלי בלבד, הסדרה המצוירת לוקחת את הדמויות לעתים קרובות גם למיקומים שונים ברחבי העולם.