古代の遺物を集めた博物館を見学したのび太たち。旧石器時代のネックレスを見て、「どんなロマンがあったのかしら…」と思いをはせるしずかをよろこばせようと、のび太は旧石器時代に連れて行ってあげると約束する。ところが、その話を聞いたドラえもんは、大反対！ あの時代にはキケンな動物が多く、なによりタイムマシンがこしょう中だったのだ。 しかし、のび太はドラえもんの注意などまったく聞かず、匂いをかぐとどんなことでも忘れてしまう『わすれろ草』を使って、ドラえもんを追い払ってしまう。 そして、のび太としずかが旧石器時代へと出発しようとしたそのとき、アクシデントが起きる！ のび太がクツを取りに戻ったすきに、タイムマシンがしずかだけを乗せて超空間に消えてしまったのだ！ しかも、しずかはタイムマシンが動き出した拍子に頭を打って、気を失ってしまう…。 のび太、ドラえもん、ジャイアン、スネ夫の４人は、『タイムベルト』と『タイムセンサー』を使い、タイムマシンの波動を探りながら、しずかの行方を追うが…！？