大雄在寻找化石时无意中发现了一个白亚纪时代在日本附近生活的恐龙蛋，恐龙蛋在大雄的照顾下孵化出了一只小恐龙。后来因为小恐龙长大，家里无法饲养，大雄将它放到了公园的水池中，却引起了附近的大骚乱，于是他下定决心用时光机将恐龙送回白亚纪时期。

在时空移动的途中，大雄他们遭到了神秘男子的工具，使时光机发生故障，将小恐龙送去了白亚纪时代的北美地区。于是为了搭救小恐龙，将他带回日本，大雄、机器猫以及静香、技安、小夫一行人乘坐时光机再次前往白亚纪，可他们的前路将有许多的危险等待着……