大雄在家中附近挖到恐龙化石，以时光布还原后生出双叶颈龙皮助，成为大雄的好朋友，但因牠越长越大且被人发现，故决定将他送回恐龙时代，后来却发现错送到上古的北美洲，大雄一行人乘时光机回到恐龙时代，但途被想抢皮助的神秘人追击，时光机因而故障，使大家必须靠自己沿著古陆块回到日本。

经过长时间的冒险，神秘人物再度出现希望获得皮助，原来是未来的违法恐龙猎人，要获得皮助卖钱，要大雄一行以交出皮助为条件，换取将他们用时光机送回家。大雄最后决定则想办法夺取时光机，但途中被发现而使静香、小夫、胖虎被抓，哆啦A梦和大雄赶往援救却进入陷阱，他们被放在基地中的恐龙竞技场中，恐龙猎人放出恐龙，在可能被吃的千钧一髮下，原来该恐龙是吃过桃太郎饭团的恐龙，因此恐龙的协助在反败为胜，又配合赶到的时光巡逻队打败了恐龙猎人。最后在时光巡逻队的帮助下，将皮助带回他的故乡，眾人也回到现实世界。