野比大雄在偶然的情况下救了一条溺水的小狗，并瞒着妈妈把它带回家里饲养。一天在去山里游玩时，大雄发现山里有很多被人遗弃的小猫小狗。为了这些被丢弃的猫狗，大雄和哆啦A梦一起用缩小灯把小猫小狗们缩小后乘上时间旅行机，向人类还未诞生的3亿年以前的世界进发，突然他们的航时机被卷进了时空扭曲中……大雄收留了小狗阿一，并成为好朋友，为了帮助其他流浪猫狗及阿一，大雄与友人带着流浪猫狗及阿一，坐时光机来到了3亿年前。但因时空扭转，多啦A梦、大雄与友人回不到3亿年前的时代见阿一，反而阴差阳错的来到了文明先进的猫狗国。多啦A梦在猫狗国的餐厅山猫轩，见到演唱的歌姬莎美，对她一见钟情！而大雄他们亦见到极似阿一的狗狗阿八，并结识了德古、千子及布太郎。为了帮阿八他们找回失踪的父母，大雄他们一同去查路猫游乐园调查，但游乐园的负责人查路猫，为人非常奸诈，他又准备了什么陷阱对付大雄及阿八他们？大雄及多啦A梦这次将有一个不可思议的旅程，而大雄又能否再见到阿一呢？