어느 날 남극의 거대한 빙산 한 조각이 한강으로 흘러 들어온다. 이 빙산 조각 속에는 억만년 전에 멸종된 아기 공룡이 갇혀 있었으니, 이름하여 둘리. 가사 상태에서 깨어난 둘리는 그 모습을 드러내고, 그날부터 소시민 고길동씨 집에서 머물게 된다. 호기심 많고, 말썽꾸러기인 둘리로 인해 고길동씨 집은 하루도 맘 편할 날이 없다. 거기에 설상가상으로 자칭, '공포의 젖꼭지' 희동이, 외계인 도우너, 아프리카의 귀부인 타조 또치, 가수지망생 마이콜까지 등장. 이들의 말썽은 날이 갈수록 기상천외, 대담무쌍해지고 고길동씨의 분노는 하늘을 찌른다.
  계속해서 고길동에게 당하는 둘리 일행은 도우너의 타임 코스모스를 타고 빨리 어른이 되기 위해 미래로 여행하기로 결심한다. 하지만 타임 코스모스의 작동 실수로 우주의 미로속에 던져지고 만다. 우주에서 방황하던 둘리 일행은 우주핵층을 만나면서 위기를 맞게 된다. 한편 로프에 매달려온 길동이는 떨어져 우주 한복판에서 방황하다 우주 핵층에게 계속 쫓긴다. 그러던 중 가시고기를 만나 우주를 지배하려는 바요킹의 존재를 알게 된다. 죽은 영혼들만이 갈 수 있는 얼음별에 착륙한 둘리 일행은 바요킹의 부하들로부터 추격을 당하고 희동과 마이콜, 고길동은 바요킹에게 붙잡히고 만다.
  둘리 일행의 도움으로 그들을 구해내고 둘리는 옛 여자 친구인 공실이를 만나 엄마가 수정체 속에 갇혀 있다는 사실을 알게 된다. 바요킹과 맞서 싸우는 둘리 일행. 길동과 희동의 할약으로 바요킹은 폭파된다. 엄마와 감격스런 재회를 하는 둘리. 둘리는 엄마와 함께살며 어른이 되고 싶지만, 엄마는 둘리가 자신의 일을 할 수 있으니 이제 둘리는 어른이라고 말해준다. 다음에 만날 날을 기약하는 둘리와 엄마. 둘리는 엄마를 은하계에 남겨둔 채 아쉬움을 가득 안고 지구로 돌아온다. 똑같은 일상이 다시 반복되지만 우리의 둘리는 웃음을 잃지 않고 엄마를 향한 희망을 소중히 간직한다.