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大雄把恐龙展发现的化石带回家，借助哆啦A梦的时光包袱竟然成功孵化出两只从未被发现过的长着翅膀的新恐龙。大雄和小伙伴们决定将小恐龙们带回到属于它们的时代，一场惊心动魄的白垩纪大冒险即将上演。本片是《哆啦A梦》漫画连载50周年纪念作品，同时也是《哆啦A梦》系列电影的第40部作品。全新的故事，全新的大雄，全新的冒险，全新出发！
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公元2000年8月，葛城考察队到达南极，发现了地下空洞中的巨大人形生命体Adam以及隆基努斯之枪。葛城计划进行人类基因与Adam融合的接触实验，但不幸因此唤醒了沉睡中的Adam，葛成调查队拼死使用隆基努斯之枪再度封印Adam，但结果失败，最终，葛成调查队人为使Adam的S^2机关暴走（因为葛成调查队全灭，所以详细不明），总算避免了完全的败局——也…
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在参拜母亲坟墓的回程途中，真嗣（绪方惠美配音）和葛城美里（三石琴乃配音）遭遇了第七使徒的攻击，关键时刻2号机势如破竹挫败对手，真嗣也由此结识了2号机的操纵者式波·明日香·兰格蕾（宫村优子配音）。与沉默寡言的绫波丽（林原惠美配音）不同，明日香自信张扬，甚至有些自大，在和真嗣相处的日子里，彼此闹出不少的笑话。他们三人分别驾驶…
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某天，野比大雄（大原惠美配音）偶然发现了童年时奶奶为自己缝制的玩偶熊，于是央求哆啦A梦（水田山葵配音）去往过去看望已不再人世的奶奶（宫本信子配音），野比大雄与奶奶重逢之后，奶奶提出希望能看到他长大结婚时的样子，野比大雄答应奶奶后与哆啦A梦再一次返回未来。婚礼那天，所有人都到场，但最重要的新郎成年野比大雄（妻夫木聪配音）居…
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月球探测器在月亮上捕捉到了白影，大雄认为这道白影是月亮上的兔子，惹来了大家的耻笑，于是哆啦A梦为了帮助大雄，利用道具“异说俱乐部徽章”，在月球背面制造了一个兔子王国。一天，神秘少年露卡转学而来，与大雄和伙伴们一同前往月亮上的月兔王国展开了一场别开生面的浪漫想象力之旅。
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大雄到恐龙博物馆体验挖掘化石，偶然发现了一个化石，他相信这绝对是恐龙的化石，于是使用哆啦A梦的道具”时间包巾“让化石回归原本的状态……结果诞生了双生的恐龙小咻与小咪！不过，这两只恐龙似乎是之前没被发现过的新种类。跟大雄一样有点靠不住的小咻、还有很活泼的小咪，虽然两只恐龙个性完全不同，但大雄就像父母一样用爱呵护着它们长大…
