โนบิตะรู้สึกเจ็บใจที่ซึเนะโอะไม่ยอมให้ตนเองได้ดูฟอสซิลเล็บไดโนเสาร์แบบชัดๆ เลยเผลอหลุดปากประกาศต่อหน้าพวกซึเนะโอะว่า จะขุดฟอสซิลไดโนเสาร์มาให้ดูเป็นขวัญตา ทว่าเมื่อนำเรื่องนี้ไปบอกโดราเอมอน ก็กลับถูกโดราเอมอนต่อว่าเสียยกใหญ่ ดังนั้นโนบิตะจึงตั้งใจที่จะพึ่งพากำลังของตนเอง ด้วยการไปขุดหาฟอสซิลไดโนเสาร์ตามที่ต่างๆ และในระหว่างนั้น เขาก็ขุดพบหินประหลาดโดยเชื่อว่าเป็นไข่ของไดโนเสาร์ เมื่อนำกลับไปบ้าน โดราเอมอนก็เอาผ้าคลุมกาลเวลาออกมาให้ใช้ เพื่อย้อนเวลาให้สภาพของไข่ใบนั้นกลับคืนเหมือนในอดีต แล้วไข่ก็ฟักออกมาเป็นตัวไดโนเสาร์พันธุ์ฟุตาบะซึซึกิ โนบิตะตั้งชื่อให้ไดโนเสาร์ตัวนั้นว่า “พีสุเกะ”
แม้จะได้ไดโนเสาร์ตัวจริงมาสมใจอยาก แต่โนบิตะก็ยังไม่ยอมเอาพีสุเกะไปอวดพวกซึเนะโอะ เพราะอยากเลี้ยงให้ตัวโตมากๆ เสียก่อน ทว่าเมื่อเลี้ยงไปเรื่อยๆ พีสุเกะก็ตัวใหญ่มากขึ้นจนไม่สามารถเลี้ยงในบ้านได้อีกต่อไป โนบิตะจึงต้องพาพีสุเกะไปแอบซ่อนตัวอยู่ในสระน้ำของสวนสาธารณะแทน แต่ความลับไม่มีในโลก เมื่อเกิดข่าวลือว่า มีคนพบสัตว์ประหลาดในสระน้ำของสวนสาธารณะ และจะมีการส่งนักประดาน้ำลงไปสำรวจในสระนั้น ทำให้โนบิตะกลุ้มใจอย่างหนัก เพราะไม่รู้จะทำอย่างไรเพื่อไม่ให้เรื่องของพีสุเกะถูกเปิดเผย ในขณะนั้นเอง บุรุษชุดดำก็ได้ปรากฏตัวขึ้น เขาบอกกับโนบิตะว่าอยากจะขอซื้อตัวพีสุเกะ แต่โนบิตะยืนกรานว่าไม่ยอมขาย เมื่อบุรุษชุดดำกลับไป โนบิตะจึงตัดสินใจที่จะเอาตัวพีสุเกะกลับไปไว้ที่โลกดึกดำบรรพ์
หลายวันต่อมา โนบิตะก็สุดจะอดกลั้น เนื่องจากไม่มีใครยอมเชื่อว่าโนบิตะเลี้ยงไดโนเสาร์ไว้จริงๆ เขาเลยขอร้องให้โดราเอมอนเอาทีวีกาลเวลาออกมาให้พวกซึเนะโอะได้เห็นพีสุเกะที่อยู่ในโลกดึกดำบรรพ์ เมื่อได้ดูภาพจากทีวี ก็พบว่าพีสุเกะไม่สามารถเข้ากับไดโนเสาร์ตัวอื่นได้ ทำให้โดราเอมอนรู้ว่า พวกตนได้พาพีสุเกะไปส่งในแถบอเมริกาเหนือ ซึ่งที่นั่นไม่ใช่ถิ่นกำเนิดของไดโนเสาร์พันธุ์ฟุตาบะซึซึกิอย่างพีสุเกะ เมื่อได้ยินดังนั้น โนบิตะจึงรีบขอให้โดราเอมอนนั่งไทม์แมชชีนไปพาตัวพีสุเกะกลับมาทันที ส่วนชิซุกะ ไจแอนท์ และซึเนะโอะก็ได้ขอตามไปด้วย ส่งผลให้จำนวนบรรทุกเกินอัตรา แถมระหว่างทางยังถูกบุรุษชุดดำตามมายิงปืนใส่อีก 1 ที ทำให้ไทม์แมชชีนพังเสียหายจนไม่สามารถซ่อมแซมให้ใช้การเหมือนเดิมได้ ด้วยเหตุนี้ พวกโนบิตะจึงต้องออกเดินทางผจญภัยในโลกดึกดำบรรพ์ ต่อสู้กับเหล่าวายร้ายบุรษชุดดำ ซึ่งเป็นนักล่าไดโนเสาร์ที่จ้องจะจับพีสุเกะไปเป็นสัตว์เลี้ยงของอัครมหาเศรษฐีในโลกอนาคต และพยายามหาทางกลับไปประเทศญี่ปุ่นในยุคปัจจุบันให้ได้