วันหนึ่งโนบิตะค้นพบฟอสซิลไข่ไดโนเสาร์โดยบังเอิญ เขาขอความช่วยเหลือจากโดราเอมอนและอุปกรณ์ของเขาในการฟักไข่ ซึ่งส่งผลให้ทารกไดโนเสาร์ฟักออกมา พวกเขาเริ่มเลี้ยงไดโนเสาร์ด้วยกัน แต่ไม่นานพวกเขาก็ตระหนักว่าไม่สามารถรักษามันไว้ได้ตลอดไป โนบิตะถูกบังคับให้ส่งไดโนเสาร์ย้อนเวลากลับไปในยุคก่อนประวัติศาสตร์ ซึ่งมันตกอยู่ในอันตรายที่จะถูกกลุ่มนักล่าจากอนาคตทำร้าย ด้วยความมุ่งมั่นที่จะปกป้องไดโนเสาร์ โดราเอมอนและสหายของเขาจึงออกเดินทางสู่อดีตเพื่อเริ่มต้นการผจญภัยยุคก่อนประวัติศาสตร์อันน่าตื่นเต้น