のび太は家の近くで恐竜の化石を掘り当て、タイムふろしきで復元させると、双葉頸竜のピー助が誕生し、のび太の良き友となる。しかし、成長するにつれて巨大化し、人々に発見されてしまうため、彼を恐竜時代へ帰すことを決意する。後に誤って古代の北アメリカへ送ってしまったことに気づき、のび太たちはタイムマシンで恐竜時代へ向かうが、途中でピー助を狙う謎の人物に追撃され、タイムマシンが故障。一行は自力で古代の大陸を辿り日本へ帰還しなければならなくなる。長い冒険の末、再び現れた謎の人物は、実は未来から来た違法恐竜ハンターであり、ピー助を売り払うため、のび太たちにピー助を引き渡す代わりにタイムマシンで家へ送ると取引を持ちかける。のび太は最終的にタイムマシンを奪うことを決めるが、途中で発覚し、しずか、スネ夫、ジャイアンが捕まってしまう。ドラえもんとのび太は救出に向かうが罠にかかり、基地内の恐竜競技場に閉じ込められる。恐竜ハンターが恐竜を放つ中、絶体絶命の危機に陥るが、その恐竜は実は桃太郎印のきびだんごを食べた恐竜だったため、彼らの味方となり逆転勝利。さらに駆けつけたタイムパトロールの協力で恐竜ハンターを撃破する。最後にタイムパトロールの助けを借り、ピー助を故郷へ帰し、一同は現実世界へ戻る。