陽光明媚的日子里，大雄、靜香、胖虎和小夫一起去參加恐龍博物展。由于被胖虎和小夫嘲笑，大雄情急之下又再次胡說八道，發誓要找到真正的恐龍給他們看。在兒童考古體驗現場，大雄找到一枚蛋狀石頭，于是他將其當作恐龍蛋化石，寶貝一樣帶回家中，拜托哆啦A夢用時間包袱皮孵化。令人意想不到的是，經過一天一夜孵化，那枚彩色蛋中居然真的鉆出兩只從沒見過的小恐龍。這兩只被命名為小咪和小啾的小家伙給大雄帶來無限樂趣，可是在現代社會養恐龍又怎會是一件容易的事。萬般無奈之下，好朋友們結伴坐上時光機，把小恐龍們帶回白堊紀時代，而他們的大冒險就此展開。面對反派古生物獵人的追捕威脅，眾人在荒野中與小恐龍建立深厚羈絆，并發現白堊紀末期的氣候異變危機。通過團隊協作，他們不僅幫助小恐龍族群找到安全遷徙路線，還用科學知識化解了隕石撞擊的預言災難。完成使命后眾人返回現代，在博物館展出的恐龍骨架前見證生命延續的意義。本片是《哆啦A夢》漫畫連載50周年紀念作品，同時也是《哆啦A夢》系列電影的第40部作品。