阳光明媚的日子里，大雄、静香、胖虎和小夫一起去参加恐龙博物展。由于被胖虎和小夫嘲笑，大雄情急之下又再次胡说八道，发誓要找到真正的恐龙给他们看。在儿童考古体验现场，大雄找到一枚蛋状石头，于是他将其当作恐龙蛋化石，宝贝一样带回家中，拜托哆啦A梦用时间包袱皮孵化。令人意想不到的是，经过一天一夜孵化，那枚彩色蛋中居然真的钻出两只从没见过的小恐龙。这两只被命名为小咪和小啾的小家伙给大雄带来无限乐趣，可是在现代社会养恐龙又怎会是一件容易的事。万般无奈之下，好朋友们结伴坐上时光机，把小恐龙们带回白垩纪时代，而他们的大冒险就此展开…… 　　本片是《哆啦A梦》漫画连载50周年纪念作品，同时也是《哆啦A梦》系列电影的第40部作品。

故事始于月球探测器的一个发现，因为偶然拍到了白色的影子，天真的大雄（大原惠美 配音）就断定那肯定是月兔，谁知却因此遭到同学们乃至静香（加薮由美 配音）的嘲笑。作为大雄贴心好奶妈的哆啦A梦（水田山葵 配音）对此怎么能坐视不理呢？于是他拿出秘密道具“异说俱乐部徽章”，以守护“想象力”之名，帮助大雄在月球背面建立了理想的月兔王国。未过多久，神秘少年露卡（皆川纯子 饰）转学来到大雄班里，并受邀进入了月兔王国。 　　只不过本该是大雄想象中的产物，似乎月球内真的隐藏着未知的文明以及难以预测的危机……