Film Doraemon: Nobita and the Birth of Japan 2016 dibuka dengan kisah seorang anak laki-laki dari zaman prasejarah yang sedang berburu ikan. Saat kembali ke tempat tinggalnya, ia mendapati desanya telah hancur. Dalam keputusasaan, ia tiba-tiba terseret ke dalam pusaran waktu yang misterius.

Di masa kini, Nobita kembali dimarahi ibunya karena mendapat nilai nol di ujian. Frustrasi, ia memutuskan ingin kabur dari rumah dan mencari tempat tinggal baru. Namun, usahanya selalu gagal karena aturan kepemilikan tanah. Pada saat yang sama, Doraemon, Shizuka, Gian, dan Suneo juga merasa lelah dengan kehidupan di rumah masing-masing. Akhirnya Nobita mengusulkan ide gila, mereka akan pergi ke masa lalu, ke zaman sebelum manusia hidup.

Mereka pun melakukan perjalanan ke Jepang 70.000 tahun yang lalu. Untuk bertahan hidup di masa prasejarah, Doraemon membagi tugas kepada semua orang. Nobita yang bertugas di "kementerian hewan peliharaan" bereksperimen dengan mencampur gen berbagai hewan menggunakan alat Doraemon. Dari percobaan itu lahirlah tiga makhluk unik Pegasus, naga bernama Draco, dan griffin bernama Gri.

Suatu hari mereka bertemu seorang anak misterius bernama Kukuru. Setelah berkomunikasi dengan alat penerjemah Doraemon, Kukuru menjelaskan bahwa ia berasal dari Suku Cahaya yang diserang oleh Suku Kegelapan. Seluruh rakyatnya diperbudak oleh pemimpin misterius bernama Gigazombi. Mendengar kisah itu, Nobita dan teman-temannya memutuskan untuk membantu.

Saat melawan Suku Kegelapan, mereka menghadapi seorang dukun yang memiliki kekuatan aneh seperti medan pelindung. Doraemon curiga karena teknologi seperti itu tidak mungkin berasal dari zaman batu. Setelah pertarungan, mereka sempat menyelamatkan Suku Cahaya, tetapi masalah belum selesai.

Belakangan terungkap bahwa dukun tersebut adalah robot dari bahan keramik khusus yang bisa memperbaiki dirinya sendiri. Nobita dan teman-temannya kembali ke masa prasejarah untuk menyelamatkan Suku Cahaya yang kembali dikuasai. Di sana mereka akhirnya bertemu Gigazombi, yang ternyata merupakan penjelajah waktu dari abad ke-23 yang memanfaatkan teknologi canggih untuk menguasai masa lalu.

Karena teknologinya jauh lebih maju dari alat Doraemon, Gigazombi sempat menangkap mereka. Namun Nobita datang bersama tiga hewan ciptaannya dan berhasil menyelamatkan teman-temannya. Mereka juga berhasil menghentikan mesin yang akan menghancurkan terowongan waktu.

Tak lama kemudian, Patroli Waktu datang bersama Dorami dan menangkap Gigazombi. Setelah semuanya selesai, Nobita harus berpisah dengan Pegasus, Draco, dan Gri yang dipindahkan ke tempat khusus untuk makhluk fantasi. Dengan berat hati, Nobita mengucapkan selamat tinggal kepada mereka sebelum kembali ke zamannya.

Di akhir cerita, ibu Nobita membangunkannya untuk sekolah. Melihat Nobita tertidur setelah mengerjakan tugas, ibunya bahkan memberi tambahan waktu tidur beberapa menit, menutup petualangan besar yang baru saja dilalui Nobita.