โนบิตะได้ค้นพบฟอสซิลไข่ไดโนเสาร์ที่พิพิธภัณฑ์ เขาตัดสินใจนำกลับบ้านและใช้ผ้าคลายเวลาเพื่อฟักมันออกมา กลายเป็นลูกไดโนเสาร์ฝาแฝดสายพันธุ์ใหม่ที่ยังไม่เคยมีการค้นพบมาก่อน เขาตั้งชื่อให้พวกมันว่า คิว กับ มิว และตั้งใจเลี้ยงดูอย่างสุดความสามารถ แต่เมื่อลูกไดโนเสาร์โตขึ้นจนไม่สามารถซ่อนตัวในโลกปัจจุบันได้ โนบิตะจึงต้องพาพวกมันย้อนเวลากลับไปในยุคไดโนเสาร์

ระหว่างการเดินทางย้อนอดีต โดราเอมอนและผองเพื่อนต้องเผชิญกับอุปสรรคมากมาย ทั้งภัยธรรมชาติ สัตว์ดึกดำบรรพ์ และกลุ่มนักล่าที่ต้องการจับตัวคิวกับมิวไปเป็นของสะสม พวกเขาต้องร่วมมือกันเพื่อปกป้องลูกไดโนเสาร์แฝดและหาทางพามันกลับคืนสู่บ้านที่แท้จริงให้ได้ก่อนที่จะสายเกินไป