פיתוח הטיוטה הראשונה של התסריט הסתיים בפברואר 1981 והיא הוצגה בפני אולפני קולומביה אשר החליטו שלא להפיק את הסרט. לטענת גייל הם ציינו בפניו שלדעתם "הסרט ממש נחמד, חמוד וחם, אבל לא מספיק מיני". כמו כן גייל ציין שאולפני קולומביה הציעו להם להציע לדיסני להפיק את הסרט. במהלך ארבע השנים הבאות התסריט של הסרט שוכתב פעמיים וכמו כן גייל וזמקיס ניגשו לאורך תקופה זו לאולפנים הגדולים בהוליווד והציעו להם להפיק את הסרט, אך כל האולפנים הגדולים סירבו לעשות זאת. בתחילת שנות ה-80 קומדיות נוער פופולריות (כגון "נעורים בקצב מהיר" "שחק אותה אצל פורקי" ) היו נועזים יחסית ובשל כך האולפנים הגדולים סירבו להפיק את הסרט משום שלא היה מספיק נועז. כאשר גייל וזמקיס ניגשו לאולפני דיסני גם שם נתקלו בסירוב משום שלטענת דיסני סיפור בו אם מתאהבת בבנה לא היה מתאים כסרט משפחתי תחת המותג דיסני.
גייל וזמקיס התפתו להפיק את הסרט יחד עם סטיבן ספילברג אשר הפיק יחד עימם את הסרט "Used Cars" ו"I Wanna Hold Your Hand" אשר זכו להצלחה בקופות. בעקבות כך זמקיס וגייל נפגשו עם ספילברג והציגו בפניו את התסריט כאשר לטענתם התאהב בתסריט. זמקיס נמנע מלפנות לספילברג בתחילת הדרך משום שחשש שאם הסרט לא יזכה להצלחה בקופות ספילברג יסרב בעתיד להפיק יחד איתו סרטים נוספים. לטענתו של גייל שהם חששו שהם יהיו מוכרים בתעשיית הקולנוע כאלו שמועסקים רק משום שהם חברים של סטיבן ספילברג. לטענתו של זמקיס בשל כך הוא בחר במקור לביים את "בעקבות האוצר הרומנטי" במקום את "בחזרה לעתיד". בעקבות ההצלחה לה זכה הסרט "בעקבות האוצר הרומנטי" בבימויו של זמקיס הוא הרגיש נוח יותר להציע בפני ספילברג להפיק את "בחזרה לעתיד". ספילברג הסכים להפיק את בחזרה לעתיד וקבע שהסרט יופק על ידי חברת ההפקה שלו אמבלין אנטרטיינמנט בשיתוף עם קתלין קנדי ופרנק מרשל אשר הוא מפיקים בפועל של הסרט יחד עם ספילברג.
כמה מהצעותיו של המפיק סידני שיינברג התקבלו במהלך העבודה על התסריט, בהם ההצעה לשנות את השם של אימו של מרטי מ"מג" ל"לוריין" (על שם אשתו השחקנית לוריין גארי), ההצעה לשנות את שמו של הפרופסור מ"פרופסור בראון" ל"דוק בראון", וההצעה לשנות את שימפנזת המחמד של הפרופסור לכלב. שיינברג הציע גם ששם הסרט ישונה ל"איש החלל מפלוטו" משום שלטענתו אף סרט עם המילה "עתיד" לא זכה אי פעם להצלחה. הוא הציע שבסצנה בה מרטי מתחזה להיות חייזר הוא צריך להציג את עצמו כ"איש חלל מהכוכב פלוטו" במקום "דארת' ויידר מהכוכב וולקן" וכי ספר הקומיקס של בן החקלאי היה צריך להיקרא "איש החלל מהכוכב פלוטו" במקום "אנשי זומבי מפלוטו". זמקיס אשר הזדעזע מההצעה של שיינברג לשנות את שם הסרט פנה לעזרתו של ספילברג. בתגובה שלח ספילברג הודעה לשיינברג בה הוא ציין שצוות ההפקה סבר ששיינברג התלוצץ כאשר הציע לשנות את שם הסרט ובאופן זה גרם לו לרדת מהרעיון.
בעוד שבתחילה מרטי היה אמור לחזור בזמן באמצעות מקרר באתר ניסויים של פצצות גרעין בנבדה, המנהלים של אולפני יוניברסל קבעו בהמשך שהאופן בו ההפקה תכננה לצלם את רגע השיא של הסרט יהיה יקר מדי וכי מוטב שהעלילה של הסרט תתרחש רק בהיל ואלי לצד מגדל השעון. ספילברג שילב את השימוש במקרר באתר ניסויים של פצצות גרעין בסרטו מ-2008 "אינדיאנה ג'ונס וממלכת גולגולת הבדולח".
ליהוק.
מייקל ג'יי פוקס היה הבחירה הראשונה של יוצרי הסרט לתפקיד מרטי מקפליי, אף על פי כן, באותה העת פוקס היה מחויב לקחת חלק בצילומי הסיטקום "קשרי משפחה". המפיק של "קשרי משפחה" גארי דייוויד גולדברג היה סבור באותה העת שפוקס היה חיוני להצלחת הסיטקום. בעת שהקולגה מהסדרה מרדית' בקסטר הייתה בחופשת לידה, הדבר אפשר לפוקס להקדיש זמן להשתתפות בסרט. לקראת סוף 1984 התברר שפוקס לא יוכל לככב בסרט בשל ההתחייבות לקשרי משפחה. האפשרויות החלופיות היו שאת התפקיד יגלם כריסטופר תומאס האוול או אריק סטולץ. סטולץ הרשים את המפיקים עם התפקיד אותו גילם בסרט "מסכה" (אשר טרם יצא אז לאקרנים) ועל כן הם בחרו בו לגלם את מרטי מקפליי. בשל תהליך הליהוק המורכב והמפרך, תאריך התחלת ההפקה עוכב פעמיים.
ארבעה שבועות לאחר תחילת צילומי זמקיס קבע שסטולץ אינו מתאים לגילום דמותו של מרטי מקפליי. על אף שהוא וספילברג הבינו שהמשמעות היא שהם יהיו חייבים לצלם מחדש את הסרט ושהעלות של המהלך תהיה בין 3 ל-14 מיליון דולרים, הם החליטו שהדבר הכרחי להצלחת הסרט. לטענת ספילברג זמקיס הרגיש שלסטולץ לא היו איכויות קומיות וכי סוג המשחק של סטולץ היה דרמטי מדיי לתפקיד. לטענת גייל ההרגשה הייתה שסטולץ משחק את התפקיד, בעוד שהאישיות של פוקס דומה יותר לאישיות של מרטי מקפליי. גייל ציין גם כי סטולץ חש לא נוח עם רכיבה על סקייטבורד, בעוד שלפוקס לא היו בעיות לרכב על סקייטבורד. שבועיים לאחר תחילת הצילומים סטולץ ציין בשיחת טלפון עם הבמאי פיטר בוגדנוביץ' שהוא סבור שהוא לא מתאים לתפקיד ולחזון של גייל וזמקיס.
לוח הזמנים של פוקס נפתח בינואר 1985 כאשר בקסטר חזרה לקחת חלק בצילום הסיטקום קשרי משפחה בעקבות חופשת ההריון שלה. צוות ההפקה של "בחזרה לעתיד" נפגש שוב עם גולדברג, אשר חתם איתם על חוזה לפיו הוגדר כי העדיפות הראשונה של פוקס תהיה "קשרי משפחה", ואם יתגלה קונפליקט בלוח הזמנים, פוקס יאלץ להתמקד בראש ובראשונה בצילומי "קשרי משפחה". פוקס אהב את התסריט של בחזרה לעתיד. לטענת פוקס הוא הרגיש שדמותו של מרטי מקפליי דומה לו במיוחד. "כל מה שעשיתי בתיכון היה לרכב סקייטבורד, לרדוף אחרי בנות ולנגן בלהקות, אפילו חלמתי להיות כוכב רוק".
כריסטופר לויד לוהק לתפקיד דוק בראון לאחר שהבחירה הראשונה של חברת ההפקה, ג'ון ליתגאו, לא היה זמין לקחת חלק בהפקת הסרט. לויד דחה במקור את התפקיד, אך שינה את דעתו לאחר שקרא התסריט ולאחר שאשתו דחקה בו לקחת את התפקיד. הוא בחר לבסס את הדמות על אלברט איינשטיין והמנצח לאופולד סטוקובסקי. הוחלט בהמשך שגבו של דוק בראון יהיה כפוף בסרט מכיוון שלויד (בגובה 1.85 מטרים) היה גבוה בהרבה מפוקס (בגובה 1.65 מטרים), ובאופן זה היה נדמה שהגבהים ביניהם לא גדולים מדי.
כריספין גלובר נבחר לגלם את ג'ורג' מק'פליי. לטענתו של זמקיס גלובר אילתר חלק ניכר מן הגינונים המאפיינים את הדמות החנונית של ג'ורג', כמו ידיו הרועדות. בשל מחלוקת חוזית גלובר הוחלף בג'פרי וייסמן בסרטי ההמשך.
ליאה תומפסון נבחרה לגלם את דמותה של לוריין מקפליי, במקור בעיקר משום שהיא כבר שיחקה עם סטולץ בסרט "The Wild Life" . המפיקים בחרו בה לתפקיד כאשר הם בסרט בעת תהליך הליהוק של סטולץ. בסצנה בתחילת הסרט בה היא מגלמת את לוריין בגיל המעבר, לקח למאפרים שלוש וחצי שעות לעבוד על האיפור של הדמות.
תומאס פ. וילסון נבחר לגלם את ביף טאנן משום שהמפיקים חשו שהבחירה המקורית, ג'יי ג'יי כהן , לא היה גדול מספיק בהשוואה לסטולץ. כהן נבחר בשל כך לאחד מחברי הכנופיה של ביף. אלמלא צילומי הסרט היו מתחילים עם סטולץ, סביר להניח שכהן היה זוכה בתפקיד של ביף טאנן.
בעוד שבתחילה השחקנית מלורה הארדין נבחרה לגלם את חברתו של מרטי, ג'ניפר, לאחר שסטולץ פוטר גם היא פוטרה בטענה שהיא הייתה גבוהה מדי בשביל לגלם את הדמות לצד פוקס. הארדין פוטרה לפני שאף השתתפה בצילומים, והיא הוחלפה בשחקנית קלודיה וולס.
צילומי הסרט.
לאחר פיטוריו של סטולץ מייקל ג'יי פוקס לקח חלק בצילומי הסרט במקביל לצילומי הסיטקום "קשרי משפחה". הוא לקח חלק בצילומי הסיטקום "קשרי משפחה" במהלך היום, ובצילומי בחזרה לעתיד בין - 6:30 בערב עד 2:30 בלילה. באותה העת פוקס ישן בממוצע חמש שעות בכל לילה. בימי שישי הוא לקח חלק בצילומי הסרט בין השעות 10:00 בבוקר עד 18:00 בערב. הוא היה מעורב בצילום סצינות שצולמו בחוץ רק במהלך סוף השבוע, שכן רק אז הוא היה זמין בשעות היום. פוקס מצא כי לוח הזמנים הצפוף היה מתיש במיוחד. זמקיס ציין גם הוא שלוח הזמנים של צילום הסרט היה מתיש במיוחד משום שנאלצו לעבוד סביב ההתחייבות של פוקס ל"קשרי משפחה" והוא ציין שמכיוון שהם צילמו בלילות הוא תמיד היה "חצי ישן".
הסצנות שמתרחשות בסרט בהיל ואלי צולמו בכיכר בית המשפט הממוקם באולפני יוניברסל (). גייל ציין שהיה זה בלתי אפשרי לצלם את הסרט בעיר אמיתית משום ש"שום עיר לא תיתן ליוצרי הסרט לשנות את מראה העיר כך שהיא תראה כמו עיר בשנות החמישים". יוצרי הסרט החליטו לצלם את כל החלקים של הסרט שמתרחשים בשנות ה-50 קודם, לוודא שהעיר תראה יפה ומסודרת, ולאחר מכן על מנת לצלם את הסצנות של שנות השמונים צוות ההפקה גרם לאותם האתרים להיראות יותר מלוכלכים ופחות מסודרים. הסצנות שמתרחשות בשנות החמישים בתוך ביתו של דוק בראון צולמו בבית רוברט ר. בלקר, ואילו הסצנות שמתרחשות בשנות החמישים מחוץ לביתו של דוק בראון צולמו בבית גמבל. הסצנות שמתרחשות בשנות השמונים מחוץ לקניון Twin Pines, ובסוף הסרט מחוץ לקניון Lone Pine צולמו מחוץ למרכז הקניות Puente Hills בקליפורניה. הסצנות שמתרחשות בשנות השמונים מחוץ לבית הספר התיכון של היל ואלי צולמו מחוץ לבית הספר התיכון ויטייר אשר ביישוב ויטייר בקליפורניה. הסצנה של האודישן בתחילת הסרט צולמה ב"אולם מרקמברידג 'פארק" בבורבאנק, והסצנה של הנשף צולמה באולם ההתעמלות של הכנסייה המתודיסטית בהוליווד. הסצנות מחוץ לבית של משפחת ביינס ב-1955 צולמו ביישוב פסדינה שבקליפורניה.