在一次校外游學活動中，大雄和朋友們參觀了舊石器時代的博物館，其中一串美麗的項鏈引起靜香和出木杉的註意和討論。大雄心生嫉妒，於是邀請靜香來家里進行時空旅行，親眼看看項鏈的主人。在哆啦A夢的幫助下，他用遺忘草支走了媽媽，又支走了阻撓的哆啦A夢。沒有想到的是，時光機發生故障，載著靜香兀自離開。正在此時，軟磨硬泡的胖虎和小夫也隨著哆啦A夢來到家里，得知靜香失蹤，好朋友們決定前往1萬2千年前的舊石器時代拯救靜香。在古老蒼茫的大地上，他們遇到了許多早已滅絕的動物，更遭到神秘的假面族及其守護者紅假面的襲擊。他們的救援行動最終能否成功呢？