博物館に行ったスネ夫から、4万年前に絶滅（ぜつめつ）したといわれる“ネアンデルタール人”について聞いたのび太は、ネアンデルタール人に会ってみたいと考え、ドラえもん、しずかちゃんとともに『タイムマシン』で、かれらがまだ生息していた4万年前のヨーロッパへと向かう。
『テキオー灯』を浴びて氷河（ひょうが）期に適応（てきおう）した3人は、ひとりのネアンデルタール人の子どもと出会う。見た目はジャイアンそっくりだが、やさしくて弱虫なその少年は、スネ夫そっくりの“ホモ・サピエンス”の子どもたちから仲間外れにされていた。しかも、のび太そっくりのホモ・サピエンスの女の子に恋（こい）しているようで…！
ジャイアンそっくりのネアンデルタール少年のことをかわいそうに思い、なんとか助けてあげたいと言い出すのび太。そこでドラえもんは『きせかえカメラ』でのび太をホモ・サピエンスの女の子に変身させ、ジャイアンそっくりのネアンデルタール少年をやる気にさせようと考えるが…！？
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