大雄在恐龍博物館參加挖掘化石體驗時,偶然發現了一個化石,深信這是個恐龍化石的大雄,使用了哆啦A夢的道具「時光布」讓化石回到原本的狀態……結果竟然孵化了恐龍雙胞胎小Q與小妙!而且,這兩隻恐龍似乎是從來沒被發現過的新品種。跟大雄一樣有點靠不住的小Q以及個性活潑的小妙,兩隻恐龍雖然個性天差地遠,大雄還是像父母一樣用愛呵護著牠們長大,但是恐龍終究還是無法在現代生存長大。
於是,大雄下定決心要將小Q與小妙帶回屬於牠們的年代,與哆啦A夢跟夥伴們一起前往6600萬年前的白堊紀末期。一場找尋小Q與小妙同伴的大冒險就此展開……靠著哆啦A夢的道具與恐龍們的力量,大雄一行人循著恐龍的足跡來到了一座神祕島嶼。然而,在白堊紀迎接他們的竟是恐龍即將滅絕的命運。小Q與小妙,以及大雄一行人的命運又將會如何……?