โนบิตะแค้นที่ซึเนะโอะไม่ยอมให้ดูฟอสซิลเล็บไดโนเสาร์แบบชัดๆ จึงไปขอให้โดราเอมอนช่วยแต่ถูกปฏิเสธ ด้วยความไม่ยอมแพ้โนบิตะจึงออกไปขุดหาฟอสซิลเองและได้พบกับไข่ไดโนเสาร์เข้า ด้วยความช่วยเหลือจากโดราเอมอนไข่จึงฟักเป็นไดโนเสาร์ตัวน้อย และถูกเลี้ยงดูโดยโนบิตะ แต่ทว่าเมื่อไดโนเสาร์โตขึ้นมากจนทำให้ไม่สามารถจะเลี้ยงไว้ได้อีก โนบิตะจึงจำต้องส่งไดโนเสาร์กลับไปยังโลกอดีต แต่ทว่าที่ที่พวกเขาส่งเจ้าไดโนเสาร์ไปกลับไม่ใช่แหล่งกำเนิดของมัน โนบิตะและผองเพื่อนจึงพากันย้อนเวลากลับไปช่วยเจ้าไดโนเสาร์ แต่ระหว่างทางกลับเจอกับพวกชุดดำซึ่งต้องการตัวไดโนเสาร์ไปขายโจมตีจนยานไทม์แมชชีนเสีย ด้วยเหตุนี้ พวกโนบิตะจึงต้องออกเดินทางผจญภัยในโลกดึกดำบรรพ์ ต่อสู้กับเหล่าวายร้ายบุรษชุดดำและพยายามหาทางกลับไปประเทศญี่ปุ่นในยุคปัจจุบันให้ได้