노비타는 공룡 박람회의 화석 발굴 체험에서 발견한 화석을 공룡알이라고 굳게 믿는다. 도라에몽의 비밀도구 '타임보자기'로 화석을 원래 상태로 되돌리자 지금껏 알려지지 않은 새로운 종의 쌍둥이 공룡이 태어난다. 노비타를 닮아서 조금 믿음직스럽지 못한 큐와 말괄량이 뮤. 노비타는 개성의 차이로 고생하지만 부모처럼 사랑과 애정을 듬뿍 주며 키운다. 하지만 결국 큐와 뮤가 현재 시대에서 살아가기에는 한계가 오고 만다. 큐와 뮤를 원래의 시대로 데려다주기로 결심한 노비타는 도라에몽, 친구들과 6600만년 전으로 출발하고 큐와 뮤의 친구 공룡들을 찾는 여정을 시작한다. 도라에몽의 비밀도구와 공룡들의 힘을 빌려 공룡의 발자국을 따라간 노비타 일행이 도착한 곳은 신비의 섬. 공룡이 멸종했다고 알려진 백악기에서 큐와 뮤 그리고 노비타 일행에게 기다리고 있는 운명은!?