恐竜博の化石発掘体験で見つけた1つの化石を見つけたのび太（声：大原めぐみ）は、恐竜のたまごに違いないと信じ、ドラえもん（声：水田わさび）のひみつ道具タイムふろしきで化石を元の状態に戻すことに。すると、未発見の新種の恐竜が2匹生まれてきた。のび太に似てちょっと頼りないオスのキューと、おてんばで人懐こいメスのミューを、手を焼きながらも親のように愛情を注いで育てていくのび太。しかし2匹が現代で生きていくには限界があり、キューとミューを元の時代に返すことを決心。キューやミューの仲間の恐竜たちを探しに、ドラえもんや仲間たちと共に6600万年前の白亜紀へと出発する。ドラえもんのひみつ道具や恐竜たちの力を借りて恐竜の足跡を追ううちに、のび太たちは謎の島にたどり着き……。