เรื่องราวเริ่มต้นเมื่อโนบิตะขุดพบฟอสซิลไข่ไดโนเสาร์และใช้ “ผ้าคลุมกาลเวลา” ทำให้มันฟักตัวออกมาเป็นไดโนเสาร์พันธุ์คอยาว (ฟุตาบะซอรัส) ซึ่งเขาตั้งชื่อว่า “พีซึเกะ” โนบิตะเลี้ยงดูมันด้วยความรักจนกระทั่งมันตัวใหญ่เกินกว่าจะซ่อนไว้ได้ โดราเอมอนและเพื่อนๆ จึงต้องช่วยกันพาพีซึเกะกลับไปยังยุคครีเทเชียสที่เป็นบ้านที่แท้จริง ทว่าพวกเขากลับถูกขัดขวางโดย “นักล่าไดโนเสาร์” จากอนาคตที่ต้องการจับตัวพีซึเกะไป การผจญภัยข้ามเวลาเพื่อปกป้องมิตรภาพที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจึงอุบัติขึ้น