Film animasi petualangan Doraemon the Movie: Nobita's New Dinosaur menghadirkan kisah haru sekaligus seru tentang persahabatan Nobita dengan dua dinosaurus unik yang mengubah sejarah.

Cerita bermula saat Nobita mengunjungi pameran dinosaurus dan bersumpah akan menemukan dinosaurus sungguhan. Tanpa sengaja, ia menemukan fosil telur dan membawanya pulang. Dengan bantuan Doraemon dan kain pembungkus waktu, telur itu menetas menjadi dua dinosaurus kembar jenis baru Kyu dan Myu, spesies mirip Sinosauropteryx yang belum tercatat di ensiklopedia mana pun.

Nobita belajar merawat mereka, namun seiring waktu Kyu dan Myu tumbuh besar. Myu mampu terbang, sementara Kyu kesulitan. Saat keberadaan mereka hampir ketahuan warga, Nobita dan teman-temannya memutuskan mengembalikan Kyu dan Myu ke zaman asalnya menggunakan mesin waktu.

Alih-alih mendarat di Kapur Akhir, mereka justru tiba di era dinosaurus lain dan terjebak dalam petualangan penuh bahaya. Mereka bertemu berbagai dinosaurus ganas dan mengetahui bahwa meteorit raksasa akan segera menghantam bumi, peristiwa yang memicu kepunahan massal 66 juta tahun lalu.

Konflik makin rumit saat Time Patrol muncul dan menegaskan bahwa sejarah tak boleh diubah. Namun terungkap bahwa pulau misterius tempat dinosaurus berkumpul sebenarnya adalah "Set Diorama Pembiakan" milik Nobita yang terjatuh dan membesar. Mereka pun berinisiatif memindahkan dinosaurus ke dalam diorama itu agar selamat dari tabrakan meteorit.

Di momen menegangkan saat meteorit hampir menghantam, Kyu yang selama ini tak bisa terbang akhirnya berhasil mengepakkan sayapnya demi menyelamatkan Nobita. Adegan itu menjadi simbol evolusi dari dinosaurus menuju burung.

Akhirnya para dinosaurus aman di pulau diorama, sementara Nobita dan teman- temannya kembali ke masa kini. Perpisahan dengan Kyu dan Myu menjadi pelajaran berharga tentang keberanian dan tumbuh melampaui keterbatasan.