小夫炫耀自己家的暴龍趾骨化石。大雄眼紅並信口開河表示要找大整架恐龍化石,否則便用鼻子吃義大利麵。於是,他便在家中翻出了些爸爸以前有關恐龍化石的舊書籍。後來他在附近的斷層挖到一枚恐龍蛋的化石,並以時光布還原之後得到一隻雙葉頸龍,並以叫聲將之命名為「嗶之助」。很快大雄和牠成為好朋友,但因牠越長越大且被人發現,故大雄決定將牠送回白堊紀時代。可是,後來卻發現將牠錯送到上古的北美洲。於是,大雄一行人乘時光機再次回到恐龍時代,但途中被欲搶嗶之助的神秘人追擊,一群人跌跌撞撞的來到白堊紀時代的北美洲後,卻發現時光機因而故障,使大家必須靠自己沿著古陸塊回到日本。
經過長時間的冒險,神秘人物再度出現希望獲得嗶之助,原來是未來的違法恐龍獵人,要獲得嗶之助賣錢,要大雄一行以交出嗶之助為條件,換取將他們用時光機送回家。大雄最後決定則想辦法奪取時光機,但途中被發現而使靜香、小夫、胖虎被抓,哆啦A夢和大雄趕往援救卻進入陷阱,他們被放在基地中的恐龍競技場中,恐龍獵人放出霸王龍,在可能被吃的千鈞一髮下,原來該霸王龍是吃過桃太郎飯團的霸王龍,因此暴龍的協助在反敗為勝,又配合趕到的時光巡邏隊打敗了恐龍獵人。最後在時光巡邏隊的幫助下,將嗶之助帶回牠的故鄉,同時也將眾人送返20世紀。