大雄即時搭救了差點溺死的流浪狗，為他命名為「阿一」，並偷偷養在自己的房間裡。偶然間在後山發現了一群被人們隨意丟棄的流浪狗、流浪貓，為流浪狗貓大抱不平的大雄因此下定決心帶領他們回到沒有人類的3億年前，幫助他們找回失落已久的歡樂歲月。

為了教導阿一他們在新天地自力更生的方法，大雄使用了「進化退化放射線源」，讓阿一聽懂人類的語言。準備回家前，大雄與阿一約好明天再會。沒想到，隔日搭乘時光機時，竟然遇上超時空扭曲的意外，導致哆啦A夢、大雄一行人沒回到3億年前，反而誤闖文明先進的貓狗王國！

沒想到哆啦A夢一到貓狗王國，竟對「山貓軒」餐廳的歌姬夏美一見鍾情！而大雄則遇見了酷似阿一的狗兒「小八」，並結識了達克、智子及布魯太郎。為了幫小八找回失蹤的父母親，大雄一行人前往「貓傑啦遊樂園」調查，但遊樂園的負責人貓傑啦，為人奸詐狡猾，他又準備了什麼陷阱對付大雄及小八他們呢？！大雄能不能再見到阿一呢？一場不可思議的旅程即將開始……