Nobita tình cờ tìm được một quả trứng khủng long hóa thạch, cậu dùng bảo bối Khăn trùm thời gian đưa quả trứng trở về thời điểm 100 triệu năm trước và ấp cho trứng nở để khoe với bạn bè mình. Nỗ lực của Nobita đã thành công khi chú khủng long thuộc chi Mamenchisaurus (xà đầu long) chào đời, được cậu đặt tên là Pisuke. Nobita và Doraemon bí mật chăm sóc Pīsuke đến khi khủng long trưởng thành, tình cảm của cậu dành cho khủng long cũng tăng dần theo thời gian. Đến khi Pisuke không thể sống vừa trong nhà nữa, Nobita phải nuôi khủng long ở hồ nước trong công viên, không may cư dân thành phố đã phát hiện ra và tiến hành chiến dịch truy bắt; Nobita và Doraemon đành thả Pīsuke về lại quê hương ở Kỷ Phấn trắng.

Trên đường đi, họ bị một tên săn khủng long xuyên thời gian truy bắt nhằm có được Pisuke; và mặc dù cuối cùng cũng thả được Pisuke trở về đúng niên đại, điểm đến lại ở khu vực Bắc Mỹ thay vì Nhật Bản thời cổ đại. Phát hiện ra sự cố, Nobita, Doraemon, Jaian, Suneo, Shizuka đã cùng quay lại đó để đưa Pisuke về lại môi trường sống thích hợp, tuy nhiên khi đến nơi Cỗ máy thời gian lại bị hỏng và họ quyết định đi bộ đến Nhật Bản.

Với việc sử dụng Chong chóng tre cùng nhiều bảo bối hỗ trợ khác, nhóm bạn đã băng qua hàng ngàn cây số. Họ không hay biết rằng đã bị những tên săn khủng long - đứng đầu là tên tỉ phú Dolaman - theo dõi, sau vài lần đụng độ, Jaian, Suneo và Shizuka đã bị chúng bắt và đưa về căn cứ làm con tin. Nobita và Doraemon liều mình giải cứu bạn bè, đồng thời giải cứu hết số khủng khủng long mà Dolaman đã bắt, cùng với nhóm bạn tự lực chiến đấu chống lại những tên săn khủng long. Sau đó, căn cứ sụp đổ và nhóm bạn Doraemon tự đi đến Nhật Bản cổ đại trên lưng Pisuke và trở về nhà an toàn nhờ cánh của thời gian ở giữa cồn cát. Trong lúc đó, Dolaman và bọn săn khủng long đã bị Đội Tuần tra Thời gian áp giải về thế kỉ 22.