物語は、のび太とスネ夫が「恐竜は完全に絶滅したか」をめぐる論争から始まる。恐竜がまだ存在するという主張を、スネ夫に科学的かつ合理的に完全否定されたのび太は、ドラえもんに助けを求める。しかし、ドラえもんが出した道具「OX占い」に「地球上にまだ生きている恐竜はいるか」と尋ねたところ、否定の答えを得てしまう。 その後、のび太の零点答案用紙を隠すため、のび太とドラえもんは地下空洞を探す道具を使って広大な地下空間を偶然発見し、それをみんなの遊び場に改造する。だがその一方で、スネ夫は川や自宅の裏庭、そして地下空間で相次いで恐竜を目撃したことで心を乱され、真相を知るためカメラを持って再び地底へ潜入するが、そこで消息を絶ってしまう。 のび太とドラえもんは、スネ夫が失踪前に撮影した映像から、地下空間が町の川の真下に位置していることを知り、ジャイアンやしずかたちとともに再び潜入する。そこで彼らが目にしたのは、意外な光景だった――中生代の太古のジャングルが広大な地下空洞を埋め尽くし、絶滅したはずの恐竜たちがそこに生息していたのだ。実はOX占いは質問に正しく答えていたが、問題の文字通りの意味で探索範囲を「地表」に限定し、地表の下に恐竜が存在する可能性を覆い隠していたのである。 ドラえもんたちがスネ夫を探す途中、地底の野蛮な民族・河童族に捕らえられ、命の危機に直面したその時、竜に乗った騎士が現れて彼らを救う。騎士はバッハと名乗り、地底人国家の騎士であると告げる。彼は、スネ夫らしき地上人はすでに保護されていると伝え、その後一行を地底人国家の首都へ護送し、スネ夫との再会を果たさせる。旅の途中、ドラえもんたちは、地底人が恐竜から進化した種族であり、高度な文明を持っていることを知る。 スネ夫と再会した後、バッハは一行が地上世界へ無事帰還することを認めるが、地底世界に関する記憶は消去されると告げる。しかし、偶然の機会にのび太は、地底人が「大遠征」と名付けた行動を密かに計画していることを発見する。その目的は、地上人（人類）から地表世界を奪還することだった！ このことを座視できなくなったドラえもんたちは、やむなく逃亡と抵抗を開始する…果たしてドラえもんたちは生きて逃げられるのか？人類と地底人の戦争は止められないのか？そして謎に包まれた「大遠征」の真の目的と敵とは、いったい何なのか…？