のび太が恐竜博の化石発掘体験で見つけた１つの化石。絶対に恐竜のたまごだ！と信じたのび太が、ドラえもんのひみつ道具“タイムふろしき”で化石を元の状態に戻すと……生まれたのは双子の恐竜！しかも、未発見の新種だった。のび太に似てちょっと頼りないキューと、おてんばなミュー。個性の違いに苦労しながら、親のように愛情たっぷりに育てるのび太だったが、やがて2匹が現代で生きていくには限界がきてしまう。キューとミューを元の時代に返すことを決心したのび太は、ドラえもんや仲間たちと共に6600万年前へと出発！キューやミューの仲間の恐竜たちを探す旅がはじまった。ドラえもんのひみつ道具や恐竜たちの力も借りながら、恐竜の足跡を追って進むのび太たちが辿り着いたのは謎の島。恐竜が絶滅したとされる白亜紀で待ち受ける、キューとミュー、そしてのび太たちの運命とは―――！？
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