Главным героем комедии является гениальный изобретатель А.С. Тимофеев, он же Шурик, который создал настоящую машину времени. Первый пробный эксперимент заканчивается замыканием. Его жена Зина сообщает ему, что уходит к режиссеру Якину, собирает чемодан и уезжает в Гагры. В этот же момент, вор Жорж Милославский обворовывает квартиру соседа Шурика. Шурик с управдомом Иваном Васильевичем Бунши вновь испытывает машину, через ставшую прозрачной стену они видят вора в квартире Шпака. Тот, назвавшись родственником, с интересом присоединяется к эксперименту. Шурик, запустив машину на полную мощность, переносится с «ассистентами» во времена Ивана Грозного. Начинается суматоха, в результате которой настоящий царь остается в квартире Шурика, а управдом и вор попадают во времена древней Руси. Единственным путем спасения Жорж видит в сходстве Бунши с Грозным, они переодеваются и успокаивают смуту среди стрельцов, отправляя их захватить «Чумацкий шлях». А Шурик подгоняемый царем мечется по магазинам в поисках перегоревших запчастей. Иван Грозный во время его отсутствия сталкивается с Зиной и Якиным, женой Бунша, Шпаком, нарядом милиции и даже врачами из психлечебницы, который забирают его из квартиры в момент, когда ученому удается вернуть из прошлого Бунша и Жоржа. И когда начинается общий переполох, который сопровождается общей погоней милиции за Милославским, жены Бунша за мужем, санитарами за всеми перечисленными, Шурик вновь запускает машину и успевает вернуть царя в его время. Машина вновь замыкает. Шурик приходит в себя на полу, не понимая, что произошло. Зина приходит с работы, главный герой устраивает допрос о режиссере Якине и измене. Шокированная женщина уверяет, что у них в помине нет такого режиссера, и Шурик понимает, что все произошедшие события ему просто привиделись.