어느날 서울에 거대한 빙산이 북극에서 떠내려 온다. 빙산 속에는 아기 공룡 둘리가 동면하고 있다. 비로 인해 빙산이 녹자 둘리는 개천을 떠도는데, 이때 고길동의 딸에 의해 길동의 집으로 가게된다. 둘리를 이상한 강아지로 생각한 길동은 이 곳 저 곳에 알아보다 둘리가 공룡 새끼임을 알게 되는데…

얼결에 고길동 가족의 식구가 된 둘리! 모든것이 신기하기만한 둘리는 계속 말썽을 피우고 길동은 둘리 덕에 머리털까지 뽑힌다. 길동네 식구와 대공원을 간 둘리는 난동을 피우는 코끼리를 초능력으로 막아낸다. 이를 본 사람들은 둘리가 평범한 공룡이 아님을 알게 된다.

고길동에게 구박 받은 둘리는 고향인 북극으로 간다며 집을 나선다. 우여곡절 끝에 도착한 곳은 엉뚱하게도 아프리카! 이곳의 동물들과 한바탕 소동을 벌인 둘리는 이내 이들과 친하게 되고, 둘리는 자신의 초능력으로 친구들을 서울의 길동이네 집으로 데려 온다.

둘리만으로도 시끄러운 길동의 집에 조카 희동이가 온다. 더 말썽쟁이인 희동이 때문에 둘리는 골치를 썩고 희동의 말썽과 길동의 구박에 견디다 못한 둘리는 집을 나선다. 그러나 서로 떨어지게 된 희동과 둘리 는 오히려 그리움에 눈물을 흘리고 다시 돌아온 둘리는 다칠 위기의 희동을 구해낸다

어느날 갑자기 길동의 집에 깐따삐야 별에서 온 외계인 도우너가 떨어진다. 도우너는 바이올린 모양의 타임머신을 가지고 있었고 엄마를 보고픈 둘리는 타임머신을 이용해 과거로 가자고 한다. 둘리와 도우너. 형과 누나, 그리고 희동은 과거로 가게 되고 원시인들을 만나 위기에 빠진다.

원시세계에서 고생하던 둘리 일행은 홀로 1700년대 스코틀랜드에 떨어져 마녀와 싸우게 된 형을 구하고 다시 원시시대로 온다. 극적으로 엄마를 만난 둘리! 그러나 희동은 돌아오기 싫어하는 둘리를 몰래 타임 코스모스에 묶어 현실로 데리고 온다.