ティラノサウルスの爪の化石を自慢するスネ夫に対抗し、のび太は「恐竜の化石を一匹分丸ごと見つけてみせる!」と、突拍子もない宣言をしてしまう。 その後、偶然にも首長竜の卵の化石を発掘したのび太は、タイムふろしきを使って卵を化石になる前の状態に戻し、孵化させる。のび太は孵化した首長竜の子供をピー助と名づけて可愛がり、ピー助ものび太を慕って育つ。だが成長するにつれてピー助を匿うのが困難になってくる。ピー助の本当の幸せを願い、のび太はタイムマシンで白亜紀の世界へ帰してやる（ここまでが短編作品のあらすじ）。 しかしその後、ピー助を白亜紀へ連れ帰ったときに恐竜ハンターの攻撃を受けたことによりタイムマシンの空間移動機能が故障しており（時間移動機能はダメージを受けておらず、作動する）、ピー助を本来の棲息地である日本近海ではなく、北アメリカ（エラスモサウルスの生息域）へ置いて来てしまったことが判明する。ドラえもんとのび太はタイムマシンで再びピー助のもとへ行こうとするが、ジャイアン・スネ夫・しずかが無理やり同乗して定員オーバーで暴走した[7]ためにタイムマシンの空間移動機能が完全に壊れてしまい、日本の、正確にいえば1億年後にのび太の机が置かれることになる場所にタイムマシンを置かない限り元の時代へ戻れなくなってしまう。さらに未来から来た恐竜ハンターがピー助をつけ狙う。ピー助を元の住処へ戻すべく、そして無事に20世紀に帰るべく、白亜紀を舞台にのび太達の冒険が始まる。