スネ夫のパパのアメリカ土産「恐竜のツメの化石」を見せてもらえなかったのび太は本物の恐竜を見つけると宣言、やむなく、のび太は化石発掘を始め、悪戦苦闘の末、化石らしき物を見つけた。ドラえもんのタイム風呂敷にかぶせて一億年前の姿に戻すと、これが巨大なタマゴ。それから毎日、のび太はふとんの中でそれ抱いて寝た。ある朝、タマゴからかわいらしい恐竜が誕生した。白亜紀の日本近海にいたフタバスズキ竜である。ドラえもんとのび太はこの恐竜をピー助と名づけて育てるが、大きく成長しすぎて、大騒ぎとなり、やむなく一億年前の日本近海に戻すことにした。ところが間違えて同じ白亜紀でも、北米大陸に置いてきてしまったためピー助は種族の違う恐竜にいじめられており、ドラえもんとのび太は、スネ夫、ジャイアン、しずかたちと一緒に、ピー助を日本近海に戻すためにタイムマシンに乗った。ピー助との再会の楽しいひと時も束の間、タイムマシンが故障、一行はタケコプターを頼りにティラノザウルスやプテラノドンの群れの中、苦難の旅を始めるのだった。