以大雄与小夫以「恐龙是否完全绝种」进行辩论展开序幕，由于认为恐龙仍然存在的主张遭到小夫以科学而合理的方式完全否定，大雄向哆啦A梦寻求帮助，然而当大雄向哆啦A梦所拿出的道具「OX占卜」询问「"地球上"是否还有恐龙活着」时，却得到了否定的答复。
之后，为了藏匿大雄零分的考卷，大雄与哆啦A梦使用寻找地底空洞的道具意外发现了宽敞的地下空间，并将之建造成众人的游乐场；但在同时，小夫却因接连在河川、自家后院与地下空间接连目击到恐龙而心烦意乱，烦闷的小夫为了了解真相带着摄影机再度进入地底，却失去了踪迹。
大雄与哆啦A梦从小夫失踪前所拍摄的影片得知，地下空间的位置正好位在众人居住城镇河川的下方，于是与胖虎、静香一行人再度潜入，却目击到意外的景象─中生代时代的太古树林塞满了宽广的地底空洞，而理应绝种的恐龙也在出没其中─原来OX占卜虽然正确的回答了问题，但却是依问题的字面意义将搜寻的范围定于「地表」，而掩盖了地表之下有恐龙存在的可能性。
哆啦A梦一行在寻找小夫的途中被地底的野蛮民族河童族捕获，正当生命面临危险时，一名乘龙的骑士即时出现救了大家。骑士自称巴赫，并称是地底人国家的骑士，他告知众人貌似小夫的地上人已经被收容保护，之后并护送众人前往地底人国家的首都与小夫相见，在旅途中哆啦A梦一行得知地底人是由恐龙所演化而来的物种，同时有有高度的文明。
在与小夫重逢后，巴赫同意让一行人安然返回地上世界，不过在地底世界相见的记忆会被消除；但在一个偶然的机会下，大雄却发现地底人正密谋名为「大远征」的行动，其目的竟是要从地上人(人类)手中夺回地表世界!
无法坐视此事发生的哆啦A梦一行，别无无选择的进行了逃亡与对抗...哆啦A梦等人是否能逃出生天？人类与地底人的战争是否无法阻止?而谜一般的「大远征」真正的目的与恐龙人真正敌人又究竟是什么呢...?