Câu chuyện bắt đầu khi cậu chàng mắt cận Nobita nhờ Doraemon giúp tìm hiểu về các loài động vật thời tiền sử. Nhờ những bửu bối của chú mèo máy thông minh, những người bạn nhỏ đã quay về thời tiền sử xa xưa để tìm kiếm những động vật quý hiếm sắp bị tuyệt chủng.

Sau khi quay về quá khứ sơ khai họ đã vào một hòn đảo kì lạ với nhiều loài động vật mà nhóm bạn Doraemon chưa thấy bao giờ. Nhưng những loài thú này không hề hiền lành dễ bảo. Liệu chuyến du hành vượt thời gian của những người bạn đáng yêu này sẽ tràn đầy niềm vui hay chỉ là những hiểm nguy đang chờ đón?