大雄即时搭救了差点溺死的流浪狗，为他命名为「阿一」，并偷偷养在自己的房间裡。偶然间在后山发现了一群被人们随意丢弃的流浪狗、流浪猫，为流浪狗猫大抱不平的大雄因此下定决心带领他们回到没有人类的3亿年前，帮助他们找回失落已久的欢乐岁月。
　　为了教导阿一他们在新天地自力更生的方法，大雄使用了「进化退化放射线源」，让阿一听懂人类的语言。準备回家前，大雄与阿一约好明天再会。没想到，隔日搭乘时光机时，竟然遇上超时空扭曲的意外，导致哆啦A梦、大雄一行人没回到3亿年前，反而误闯文明先进的猫狗王国！
　　没想到哆啦A梦一到猫狗王国，竟对「山猫轩」餐厅的歌姬夏美一见钟情！而大雄则遇见了酷似阿一的狗儿「小八」，并结识了达克、智子及布鲁太郎。为了帮小八找回失踪的父母亲，大雄一行人前往「猫杰啦游乐园」调查，但游乐园的负责人猫杰啦，为人奸诈狡猾，他又準备了什麼陷阱对付大雄及小八他们呢？！大雄能不能再见到阿一呢？一场不可思议的旅程即将开始……