陽光明媚的日子裡,大雄、靜香、胖虎和小夫一起去參加恐龍博物展。由於被胖虎和小夫嘲笑,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,於是他將其當作恐龍蛋化石,寶貝一樣帶回家中,拜託哆啦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鑽出兩隻從沒見過的小恐龍。這兩隻被命名爲小咪和小啾的小傢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……
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。