Tình cờ tìm được một quả trứng khủng long hóa thạch, Nobita đã dùng bảo bối "Khăn trùm thời gian" đưa quả trứng trở về thời điểm 100 triệu năm trước và ấp cho trứng nở. Nỗ lực của cậu đã thành công khi loài bò sát thuộc chi Futabasaurus chào đời,[4][5] được Nobita đặt tên là Pīsuke. Nobita và Doraemon bí mật chăm sóc Pīsuke đến khi trưởng thành, tình bạn giữa cậu và khủng long cũng được vun đắp theo thời gian. Đến khi Pīsuke không thể sống vừa trong nhà nữa, Nobita nuôi khủng long ở hồ nước trong công viên, không may cư dân thành phố phát hiện ra và tiến hành khảo cứu; Nobita và Doraemon buộc phải thả Pīsuke về lại quê hương ở thời kỳ Creta muộn 100 triệu năm trước.

Trên đường đi, họ bị một tay săn khủng long xuyên thời gian bám đuôi với mưu đồ cướp lấy Pīsuke; và mặc dù Nobita cuối cùng cũng đưa được Pīsuke trở về đúng niên đại, điểm đến lại lạc sang khu vực Bắc Mỹ thay vì quần đảo Nhật Bản. Phát hiện ra sự nhầm lẫn này, Doraemon, Nobita, Shizuka, Jaian, Suneo đã cùng quay lại quá khứ một lần nữa, tuy nhiên khi đến nơi thì "Cỗ máy thời gian" bị hỏng, và họ quyết định hộ tống Pīsuke đến Nhật Bản men theo dải đất nối liền hai châu lục thời cổ đại.

Với việc sử dụng "Chong chóng tre" cùng nhiều bảo bối hỗ trợ khác, nhóm bạn đã băng qua hàng ngàn cây số và giáp mặt với nhiều loài khủng long như Ornithomimosaurus, Apatosaurus, Tyrannosaurus, Pteranodon. Không may họ vẫn bị tổ chức săn trộm khủng long, đứng đầu là tỉ phú Dollmanstein, theo dõi và sau vài lần đụng độ, Jaian, Suneo và Shizuka đã bị chúng bắt và đưa về căn cứ làm con tin. Nobita và Doraemon liều mình giải cứu bạn bè, nhưng may mắn là trong lúc nguy khốn, "Đội Tuần tra Thời gian" đã đến ứng cứu kịp thời, toàn khu căn cứ bị phá hủy. Cuối cùng Nobita đã đưa Pīsuke đến Nhật Bản cổ đại an toàn, cả nhóm cũng về được nhà nhờ máy thời gian của đội tuần tra.