मार्टी मैकफ़्लाय के किरदार के लिए पहली पसंद माइकल जे. फ़ॉक्स थे लेकिन वह फैमिली टाइज़ शो के साथ व्यस्त थे। फैमिली टाइज़ के निर्माता गैरी डेविड गोल्ड्बर्ग (Gary David Goldberg) के लिए शो की सफलता हेतु फॉक्स का होना जरूरी था, खासकर उस स्थिति में जब कि मेरेडिथ बैक्स्टर (Meredith Baxter) मातृत्व अवकाश पर थे और इसलिए गैरी ने फॉक्स द्वारा किसी फ़िल्म के लिए समय दिए जाने से मना कर दिया। बैक टू द फ़्यूचर के लिए मई 1985 का समय तय किया गया था। अब 1984 के आखिरी दिन थे और फॉक्स का फ़िल्म में भूमिका निभाना मुमकिन नहीं था। ज़ेमेकिस की अन्य दो पसंद थे सी. थॉमस हॉवेल (C. Thomas Howell) और एरिक स्टोल्ज़ (Eric Stolt)। एरिक स्टोल्ज़ ने मास्क फ़िल्म (जो अभी प्रदर्शित नहीं हुई थी) में रॉय एल. डेनिस के अपने किरदार से निर्माताओं को इतना प्रभावित किया कि उन्होंने उसका चयन मार्टी मैकफ्लाय का किरदार निभाने के लिए कर लिया। मुश्किल कास्टिंग प्रक्रिया के कारण आरंभ तिथि को दो बार खिसकाया गया।चार हफ्ते की शूटिंग के बाद ज़ेमेकिस को लगा कि स्टोल्ज़ अपने किरदार के लिए सही नहीं है। हालांकि उन्हें और स्पीलबर्ग को यह पता था कि दुबारा शूटिंग का अर्थ होगा 1.4 करोड़ डॉलर के बजट में 30 लाख डॉलर की अतिरिक्त वृद्धि, लेकिन उन्होंने अभिनेता बदलकर शूटिंग करने का फैसला किया। स्पीलबर्ग ने समझाया कि ज़ेमेकिस को लगता था कि स्टोल्ज़ में हास्यबोध की कमी थी और उसका अभिनय बुरी तरह से नाटकीय था। आगे गेल ने बताया कि उन्हें लगा स्टोल्ज बहुत सामान्य तरह से भूमिका निभा रहे थे जबकि फॉक्स का व्यक्तित्व मार्टी मैकफ़्लाय जैसा था। उन्हें लगा स्केट बोर्ड पर सवारी करने में स्टोल्ज़ को असुविधा होती थी जबकि फॉक्स को नहीं। शूटिंग के शुरू हुए दो सप्ताह बीत जाने पर स्टोल्ज़ ने एक बार फ़ोन पर बात करने के दौरान निर्देशक पीटर बॉगदैनोविच (Peter Bogdanovich) के समक्ष स्वीकार किया कि उन्हें ज़ेमेकिस और गेल का निर्देशन समझ में नहीं आता और वह इस भूमिका के लिए उपयुक्त नहीं हैं।फॉक्स की भूमिका जनवरी 1985 में शुरू हुई जब मेरेडिथ बैक्सटर अपने प्रसव के बाद फैमिली टाइज़ में वापस लौटीं. बैक टू द फ़्यूचर निर्माण दल के लोग गोल्डबर्ग से दुबारा मिले जिन्होंने यह समझौता किया था कि फॉक्स की प्रमुख प्राथमिकता फैमिली टाइज़ होगी और यदि समय को लेकर कोई समस्या खड़ी होती है तो उनकी ही बात मानी जाएगी. फॉक्स को पटकथा पसंद आई और स्टोल्ज़ को जिस संवेदनशीलता के साथ हटाया गया उसे लेकर ज़ेमेकिस और गेल से वह बहुत प्रभावित हुए क्योंकि स्टोल्ज़ के बारे में वे दोनों आदर के साथ बातें करते थे। पर वेलिन्डर (Per Welinder) और टोनी हॉक ने स्केट बोर्ड की सवारी वाले दृश्य में सहयोग किया हालांकि हॉक को इस कारण फ़िल्म छोड़नी पड़ी क्योंकि वे फॉक्स से लंबे थे और बहुत से दृश्यों में उन्होंने स्टोल्ज़ के लिए भूमिका की थी। फॉक्स को मार्टी मैकफ्लाय की अपनी भूमिका बहुत ही निजी लगी। “अपने हाइ स्कूल के दिनों में यही सब तो मैं करता था- स्केटबोर्ड की सवारी, लड़कियों का पीछा करना और संगीत मंडली में बजाना. मेरा तो सपना ही था रॉक स्टार बनने का.”पहली पसंद के रूप में जॉन लिथगो के हट जाने के बाद क्रिस्टोफर लियॉड ने डॉक ब्राउन की भूमिका निभाई थी। लियॉड के साथ द एडवेन्चर्स ऑफ बकारू बैंजाइ (1984) में काम करने के बाद निर्माता नील कैंटन ने उन्हें यह किरदार करने की सलाह दी थी। लियॉड ने शुरू में यह करने से मना कर दिया लेकिन पटकथा पढ़ने के बाद और अपनी पत्नी के जिद करने पर वह राजी हो गए। अल्बर्ट आइंस्टीन और परिचालक लियोपोल्ड स्टोकोव्स्की (Leopold Stokowski) से प्रेरणा लेकर उन्होंने अपने कुछ दृश्यों में सुधार किया। गीगावाट का उच्चारण ब्राउन “जिगोवाट” की तरह करते थे जैसा कि एक भौतिकी वैज्ञानिक ने इस शब्द का उच्चारण किया था जब पटकथा पर शोध के दौरान उनकी ज़ेमेकिस और गेल से मुलाक़ात हुई थी।ली थॉमसन ने लॉरेन मैकफ्लाय की भूमिका निभाई क्योंकि उन्होंने द वाइल्ड लाइफ में स्टोल्ज़ की विपरीत भूमिका की थी। 1985 में शुरू की गई फ़िल्म के आरंभ में आरंभिक दृश्यों के लिए उनके कृत्रिम मेकअप में साढ़े 3 घंटे लगे थे।क्रिस्पिन ग्लोवर ने जॉर्ज मैकफ्लाय का किरदार निभाया। ज़ेमेकिस ने बताया कि ग्लोवर ने जॉर्ज के बेवकूफ़ और दब्बू जैसी हरकतों में काफ़ी कुछ सुधार किया जैसे कि उसके हाथों का कांपना. निर्देशक ने मजाक किया, वह “निरंतर रूप से क्रिस्पिन पर जाल फेंक रहा था क्योंकि अपने किरदार के प्रस्तुतीकरण के आधे समय में वह पूरी तरह से अलग था।”निर्देशक ने बिफ टैनेन की भूमिका में थॉमस एफ. विलसन थे, क्योंकि जे. जे. कोहेन, जिन्हें शुरू में यह भूमिका मिली थी, स्टोल्ज़ पर धौंस जमाने में उपयुक्त नहीं पाए गए। कोहेन को बिफ के साथी की भूमिका निभाने को मिली। यदि शुरू में ही अभिनेता के तौर पर फॉक्स को लिया गया होता तो शायद कोहेन को यह भूमिका मिल जाती क्योंकि वह फॉक्स से अधिक ऊंचे कद के थे।