Изобретатель Александр Сергеевич Тимофеев (Шурик) создаёт машину времени. Эксперименты по её запуску кончились перегоранием пробок, взрывом и потерей Шуриком сознания.
Сон. Жена Шурика, киноактриса Зина, приходит со съёмок в задымлённую квартиру и говорит Шурику, что уходит от него. Её новый возлюбленный — кинорежиссёр Якин, с которым она уезжает в Гагры.
В это время квартирный вор-рецидивист Жорж Милославский проникает в квартиру соседа Шурика — стоматолога Антона Семёновича Шпака — и обворовывает её.
В присутствии управдома Ивана Васильевича Бунши Шурик испытывает машину на небольшой мощности, и стена между квартирами Шурика и Шпака исчезает. Удивлённый Жорж Милославский входит в квартиру Шурика. Шурик включает большую мощность, и через стену открываются царские палаты. На троне сидит Иван Грозный, рядом дьяк Феофан. Увидев пришельцев и приняв их за демонов, Феофан убегает за стражей, а Иван Грозный вбегает в квартиру Шурика. В палатах начинается переполох, один из бердышей, кинутый Милославским в стрельца, попадает в машину времени, и та ломается, оставляя Ивана Грозного в современном мире, а Ивана Васильевича Буншу и Жоржа Милославского — во времени Ивана Грозного.
Спасаясь от стражи, Милославский замечает внешнее сходство Бунши и Ивана Грозного и заставляет управдома переодеться в найденную царскую одежду. Бунша переодевается в Ивана Грозного, а Милославский — в князя.
В XX веке Шурик объясняет царю, что случилось, просит подождать его, пока он сбегает в магазин за транзисторами. Иван Грозный остаётся в квартире и оказывается вовлечённым в столкновения с разными героями фильма (Зина и Якин, Ульяна Андреевна Бунша, Антон Семёнович Шпак, наряд милиции, бригада «Скорой помощи»).
В царском времени тоже неспокойно. Народ понимает, что царь ненастоящий, и завязывается погоня, но, наконец, срабатывает починенная машина времени и Иван Васильевич Бунша с Жоржем Милославским вбегают в свой XX век. Иван Васильевич не успевает вернуться — его задерживает милиция. Бунша добровольно сдаётся в руки милиции, так как временно исполнял обязанности царя. Услышавший это Иван Грозный в ярости нападает на Буншу. Их обоих связывают в смирительные рубашки и одного за другим подводят к Ульяне Андреевне для опознания. И в Бунше, и в царе Ульяна Андреевна признаёт своего мужа.
Милославский же берёт белый халат Шурика и пытается скрыться под видом врача. Врачи и переодевшийся врачом Милославский уводят «пациентов» на улицу, и в этот момент милиционеры понимают, что у них в руках находилась важная добыча — сам вор Жорж Милославский. С балкона они кричат об этом врачам, и далее начинается погоня за Милославским. Воспользовавшись суматохой, из машины «Скорой помощи» выбегает Иван Грозный и бежит в квартиру к Шурику, который снова запускает свою машину. Открывается стена в палаты, и Иван Грозный возвращается в своё время.
Шурик очнулся, поднялся с пола, и не понимает, что же всё-таки произошло. Постепенно сознание возвращается к нему, и тут он вспоминает, что его бросила жена.
Вскоре Зина приходит с работы, Шурик спрашивает её о связи с Якиным. Удивлённая Зина говорит, что Шурик совсем сойдёт с ума со своей машиной и никакого режиссёра Якина у них нет. Шурик понимает, что ему всё привиделось.