故事描述大雄在尋找化石時無意中發現了一個白堊紀時代在日本附近生活的恐龍蛋，恐龍蛋在大雄的照顧下孵化出了一隻應該已經絕種的小長頸龍。後來因為小長頸龍長大，家裡無法飼養，大雄將它放到了公園的水池中，卻引起了附近居民的大騷動，於是哆啦Ａ夢及大雄設法把小長頸龍用時光機將他送回一憶年前的恐龍時代。在時空移動的途中，大雄他們遭到了神秘人的襲擊，使時光機發生故障，將小恐龍誤送去了古時代的北美地區。為了搭救小恐龍，將他帶回日本，大雄、哆啦Ａ夢以及靜香、胖虎、小夫一行人乘坐時光機再次前往古時代，但前路將有許多的危險等著他們！而大雄是否能夠安全的護送小恐龍回到同類的身邊呢？