1980年，大雄、哆啦A梦、静香、胖虎和小夫，以及大雄养的一只送回恐龙时代的恐龙，六个人物，因时光机错位，而从一亿年前白垩纪北美大陆西岸进行10000公里的转移行动，经历磨难，到达日本大陆的故事。
小夫炫耀自己家的暴龙趾骨化石。大雄眼红并信口开河表要找大整架恐龙化石，否则便用鼻子吃意大利粉。于是，他便前往图书馆借了些有关恐龙化石的书籍。后来他在附近的断层挖到一枚恐龙蛋的化石，并以时光布还原之后得到一只双叶颈龙，并以叫声将之命名为“皮助”。很快大雄和它成为好朋友，但因它越长越大且被人发现，故大雄决定将他送回白垩纪时代。可是，后来却发现将它错送到上古的北美洲。于是，大雄一行人乘时光机再次回到恐龙时代，但途中被欲抢皮助的神秘人追击，时光机因而故障，使大家必须靠自己沿着古陆块回到日本。
经过长时间的冒险，神秘人物再度出现希望获得皮助，原来是未来的违法恐龙猎人，要获得皮助卖钱，要大雄一行以交出皮助为条件，换取将他们用时光机送回家。大雄最后决定则想办法夺取时光机，但途中被发现而使静香、小夫、胖虎被抓，哆啦A梦和大雄赶往援救却进入陷阱，他们被放在基地中的恐龙竞技场中，恐龙猎人放出恐龙，在可能被吃的千钧一发下，原来该恐龙是吃过桃太郎饭团的恐龙，因此在恐龙的协助下反败为胜，又配合赶到的时光巡逻队打败了恐龙猎人。最后在时光巡逻队的帮助下，将皮助带回它的故乡，同时也将众人送返20世纪。