โนบิตะและโดราเอมอนได้เก็บสุนัข และแมวจรจัดมาเลี้ยง เพื่อให้รอดพ้นจากสายตาของแม่ ทั้งสองจึงพามันไปยังยุคกว่า 300 ล้านปีก่อน พร้อมทั้งใช้ปืนเร่งวิวัฒนาการ เพื่อให้สุนัข และแมวสามารถมีชีวิตรอดอยู่ได้ จากนั้นจึงย้อนเวลามาสำรวจอีกครั้ง และพบว่าเมืองของสัตว์ทั้งสองนั้น มีวิวัฒนาการที่เหนือกว่ามนุษย์มาก แต่การมาคราวนี้พวกเขากลับต้องช่วยเหลือเมือง ๆ นี้ให้รอดพ้นจากเงื้อมมือ เนโกจิร่า แมวจอมโลภที่พยายามจะครอบครองเมืองนี้ เพื่อสร้างความมั่งคั่งให้กับตน!