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－皮皮。後來因為皮皮越長越大，家裡無法飼養，大雄只好將皮皮放到公園的水塘中。不料卻引起附近居民的大騷動，於是哆啦Ａ夢及大雄只好設法用時光機把皮皮送回一憶年前的恐龍時代。在時空移動的途中，大雄一行人突然遭受神秘黑衣人的襲擊，致使時光機發生故障，將皮皮誤送至古時代的北美地區。為了搭救皮皮，將他帶回日本的故鄉，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，但前方數不盡的危險正等著他們！大雄是否能夠安全地護送皮皮回到它的故鄉，回到同伴的身邊呢？