Câu chuyện bắt đầu khi cậu chàng mắt cận Nobita nhờ Doraemon giúp tìm hiểu về các loài động vật thời tiền sử. Nhờ những bửu bối của chú mèo máy thông minh, những người bạn nhỏ đã quay về thời tiền sử xa xưa để tìm kiếm những động vật quý hiếm sắp bị tuyệt chủng.