野比大雄意外救了一条溺水的小狗，给它取名“阿一”，还瞒着妈妈把它带回了家。有一天，大雄和哆啦A梦去山里游玩，发现山里有很多被人遗弃的小猫小狗。为了安置这些被丢弃的猫狗，大雄和哆啦A梦用缩小灯把它们缩小，然后乘坐时间旅行机前往人类还未诞生的3亿年前的世界。然而，航行中他们的时间旅行机被卷入时空扭曲，无法到达3亿年前见到阿一，反而意外来到了文明先进的猫狗国。在猫狗国的餐厅山猫轩，哆啦A梦见到了歌姬莎美并对她一见钟情。大雄他们还遇到了和阿一长得很像的狗狗小八，结识了德古、千子和布太郎。为了帮小八他们找回失踪的父母，大雄一行人前往查路猫游乐园调查。但游乐园负责人查路猫十分奸诈，他设下陷阱对付大雄和小八他们。