《与恐龙同行》讲述了一个发生在七千万年前的史前冒险故事。炎热假期里，男孩里奇（查理·罗 Charlie Rowe 饰）和妹妹随考古学家叔叔（Karl Urban 饰）来到壮阔的阿拉斯加，踏上寻访史前动物的旅程。一次在森林中的奇遇中，里奇在乌鸦的指引下穿越时空，来到了白垩纪中期。
在一支厚鼻龙家族里，小厚鼻龙派西（Justin Long 配音）刚出生便遭到伤齿龙袭击，头部留下了一个大洞，但他奇迹般地活了下来，并由此开启了注定不平凡的一生。随着时间流逝，派西和伙伴们逐渐长大，他还邂逅了令自己心动的女孩裘妮波（Tiya Sircar 配音）。然而，厚鼻龙家族的大迁徙很快开始，熊熊大火与残酷猎杀也接踵而至。一场跨越七千万年的惊险旅程，就此展开。
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