Nobita, ailesiyle yaşadığı sorunlardan bunalır ve evden kaçmayı düşünmeye başlıyor. Bu planını arkadaşlarıyla paylaşarak Doraemon'u da yanlarına almayı hedefliyorlar, ancak gidecekleri bir yer bulamıyorlar. Bunun üzerine zamanda yolculuk yaparak 70.000 yıl öncesine gitmeye karar veriyorlar ve o dönemde neler yaşandığını keşfetmek istiyorlar. Doraemon: Taş Devri Macerası, bu yolculuk sırasında karşılaştıkları zorlukları ve maceraları gösteriyor.