Nobita entdeckt während einer Museumsausgrabung ein versteinertes Dinosaurierei. Mit Doraemons Zeit-Tuch stellt er es wieder her und schlüpft es erfolgreich aus, wodurch zwei gefiederte Dinosaurier einer unbekannten Art zum Vorschein kommen, die in zukünftigen Enzyklopädien nicht verzeichnet sind. Er nennt sie Kyu und Myu basierend auf ihren unterschiedlichen Lautäußerungen. Nobita übernimmt die Hauptverantwortung für ihre Pflege und lernt Pflegetechniken von einem Dinosaurier-Experten. Er füttert sie gewissenhaft, beherbergt sie zunächst in seinem Zimmer und bietet ihnen später mit dem „Zucht-Diorama-Set“-Gadget mehr Platz. Diese Rolle zeigt seine Fähigkeit, Verantwortung zu übernehmen, wenn er sich für das Wohl eines anderen Wesens engagiert.

Die Dinosaurier zeigen gegensätzliche Eigenschaften: Myu beherrscht das Gleiten und integriert sich leicht, während Kyu aufgrund eines kürzeren Schwanzes und der Unfähigkeit zu gleiten kämpft, was Nobitas vermeintlichen Schwächen entspricht. Nobita entwickelt eine besonders starke Bindung zu Kyu, da er sich mit dessen Schwierigkeiten identifiziert. Als die Dinosaurier für die moderne Zeit zu groß werden, trifft Nobita die schwierige Entscheidung, sie in ihre ursprüngliche Zeit zurückzubringen. Er reist zusammen mit Doraemon und Freunden per Zeitmaschine in die späte Kreidezeit, um die Art von Kyu und Myu zu finden.

Während der Zeitreise sieht sich die Gruppe mit prähistorischen Gefahren konfrontiert und stellt fest, dass sie versehentlich im Jura-Zeitalter gelandet sind. Sie verlieren das „Zucht-Diorama-Set“ in einem Sumpf. Nobita sucht beharrlich nach einem geeigneten Lebensraum für Kyu und Myu und begegnet Dinosauriern wie dem Tarbosaurus Cole und dem Sinoceratops Top. Mithilfe des „Tomodachi-Schokoladen“-Gadgets werden diese zunächst bedrohlichen Dinosaurier zu Verbündeten. Die Reise wird durch die verdeckte Überwachung der Zeitpatrouillen-Agenten Jill und Natalie erschwert.

Die Gruppe findet schließlich eine Insel, die von Dinosauriern bevölkert ist, die Kyu und Myu gleichen, und die sich später als das über die Zeit vergrößerte verlorene „Zucht-Diorama-Set“ herausstellt. Bei der Vorstellung wird Kyu von der Herde aufgrund seiner Unfähigkeit zu gleiten abgelehnt und körperlich verletzt. Als Nobita dies sieht, verteidigt er Kyu leidenschaftlich und erklärt, dass er beweisen wird, dass Kyu wunderschön fliegen kann. Gleichzeitig wird ihnen klar, dass sie sich im Zeitraum des Kreide-Paläogen-Aussterbeereignisses befinden. Angesichts des bevorstehenden Meteoriteneinschlags greift die Zeitpatrouille zunächst ein, um Störungen zu verhindern. Nobita, entschlossen, die Dinosaurier zu retten, widersetzt sich ihnen und versucht, das „Gegenteil-Richtung“-Gadget zu verwenden, um den Meteoriten umzuleiten. Seine schützende Haltung gegenüber Kyu und Myu, als er festgenommen wird, und eine anschließende Überprüfung durch Jill mit einer „Check-Karte“, die Licht ausstrahlt, führen dazu, dass die Zeitpatrouille ihre Einmischung einstellt.

Nobita beteiligt sich an einer Rettungsaktion, um die Dinosaurier vor dem Aussterben zu bewahren. Mit dem „Raum-Bewegungs-Stift“ verlegen sie die Dinosaurier auf die vergrößerte Insel des „Zucht-Diorama-Sets“ und aktivieren dessen Wetterkontrollfunktion, um sie vor den Folgen des Meteoriten zu schützen. Während dieser kritischen Aufgabe wird Nobita von einem großen Pterosaurier angegriffen. Kyu, der Nobita in Gefahr sieht, erreicht durch entschlossenes Flügelschlagen den Kraftflug und entwickelt sich damit über das Gleiten hinaus. Er rettet Nobita im freien Fall. Diese Tat stellt einen wichtigen evolutionären Schritt von Dinosauriern zu Vögeln dar, den die Zeitpatrouille beobachtet. Nachdem die Sicherheit der Dinosaurier auf der Insel gewährleistet ist, verabschiedet sich Nobita emotional von Kyu und Myu. Bei seiner Rückkehr in seine Zeit führt Nobita erfolgreich eine Reckübung aus, die er zuvor nicht geschafft hatte, und demonstriert damit neue Ausdauer und Selbstständigkeit, die er ohne Gadgets erreicht hat – ganz wie Kyus Leistung.

Nobita