《与恐龙同行》以半纪录片的形式，将镜头对准特殊的食草恐龙厚鼻龙，用拟人化的方式讲述厚鼻龙的迁徙过程，还原白垩纪时期的恐龙生活原貌。
影片开篇，男孩瑞希和妹妹，被送到阿拉斯加的扎克叔叔家，扎克是一位古生物学家，有一颗恐龙牙齿化石。在发现化石的森林中，瑞希受到一只乌鸦的指引，穿越时空去往７千万年前的白垩纪中后时期。
进入远古时期后，乌鸦摇身一变成为一只名为亚历克斯的白垩纪晚期亚历山大的阿克西鸟，有美丽的羽毛、雄伟的双翼、经典锯齿状的嘴，食虫目和恐龙牙缝间的堆积物。亚历克斯以旁观者的身份,讲述了一只羸弱的厚鼻龙成长为勇敢智慧的族群领导者的励志故事。
亚历克斯的朋友，是草食动物厚鼻龙派奇。派奇是家族中最小的成员，也是兄弟中最矮小的一个。派奇小时候离巢时曾被杂食动物伤齿龙叼在嘴里，派奇的父亲6000磅重的厚鼻龙族群领导者布德斯特救了它，但因此派奇头上被咬了一个洞。
离巢的派奇看到了一只草食动物融合恐龙甲龙，路过一片油田时，还看到3只小型食肉动物西爪龙，但派奇的母亲找回了它，淘气的“熊孩子”派奇的第一次离巢冒险就结束了。小时候派奇跟着父亲和哥哥斯考勒，学习觅食，在泥土里翻滚，嬉戏打闹是派奇的青春的主旋律。
派奇偶然在瀑布边遇到裘妮波，对它一见钟情。不过，很快因为夏天将要结束，食物供应短缺，裘妮波和她家族的兽群迁徙去往南方。
不久之后，派奇也跟随兽群开始了它心心念念的第一次迁徙。成群结队的兽群横跨阿拉斯加腹地，大规模南迁。在一场风暴来临时，兽群进入森林中躲避，但干燥的夏季森林是天然的“火药库”，闪电击中树木产生火，森林燃烧起来，兽群想要跑出森林。
但一种恐龙的不幸是另一种恐龙的盛宴，它们的天敌食肉动物多齿暴龙蛇发女怪龙等在外面，它接近两吨半重，粗略测量身长26英尺，有整整60颗锋利的钢牙，专为撕裂鲜肉和骨头而生，它强有力的后腿能保障其以惊人的速度奔跑，有不可思议的嗅觉，敏锐的眼神和两个小小的胳膊，食量巨大一顿能消耗数百斤肉。
派奇和斯考勒与妈妈走散，爸爸为了保护两兄弟，与蛇发女怪龙展开殊死搏斗，最终被咬死。
混乱过后，兽群产生新的领导者，派奇也再次遇到裘妮波，它们一起上路。兽群在到达最后的峡谷之前，遇到了食肉动物翼龙，它重量轻可以在空中盘旋很久，飞行耐力强，但擅长抓捕的蛇发女怪龙吃掉了翼龙。
厚鼻龙兽群也遭到蛇发女怪龙地袭击，蛇发女怪龙团队制定了精细的捕猎计划，它们追逐疲于奔命的兽群造成恐慌，把年轻瘦弱的猎物从兽群中驱赶出来各个击破，缠斗追逐过程中裘妮波、派奇和斯考勒掉入河中，被湍急的水流冲走。3只恐龙上岸时，裘妮波受了伤，死里逃生的它们，遇到了魁梧的草食动物埃德蒙顿龙，它们决定跟着埃德蒙顿龙的迁徙大部队继续上路。
受伤的裘妮波跟不上队伍，派奇和亚历克斯停下来陪着它，但斯考勒跟着大部队前进并未回头。在沙滩休息的两只恐龙和一只鸟遭到了一群螃蟹地围攻，离开沙滩后的它们迷了路。在一片森林中遇到了杂食动物窄手的纤手龙，被围攻的派奇咬了纤手龙，纤手龙四散跑开，派奇它们也终于找到了兽群队伍。
细小及原始的哺乳齿兽，杂食动物阿法齿负鼠出洞伸懒腰时，兽群再次启程迁徙，只不过这次方向是北方，它们踏上回巢的路。
兽群年复一年走相同的路，南迁然后北迁再南迁，派奇长大了，脑袋上的洞也越来越大。斯考勒通过头撞角力决斗战胜兽群领导者，成为新的兽群首领。并且，因此裘妮波必须遵循兽群规则选择斯考勒，派奇十分失落。
斯考勒带领兽群再次迁徙，选择冰面路径，派奇察觉危险，但斯考勒听不进任何意见，冰面意外破裂，众多恐龙掉进冰河中，斯考勒仍命令加速前进度过冰面，派奇号召大家调头回到岸上，向着有树的方向前进，开辟出一条路。
派奇敏捷的思维，拯救了整个兽群于危难之中，但斯考勒十分生气，认为派奇是想要带走它的兽群和裘妮波。斯考勒和派奇在森林中展开了对决，经过激烈的搏斗，最终派奇落败受伤并被逐出兽群。
蜂拥而来的“拾荒者”纤手龙和西爪龙，想要分食受伤的派奇，万念俱灰的派奇并未反抗，但亚历克斯一直鼓励派奇，危急时刻，派奇又想起它的希望和支撑裘妮波，最终派奇站了起来，赶走了拾荒者。
重新振作的派奇想要寻回裘妮波，找到兽群后派奇正要向裘妮波表白时，危机出现。兽群进入迁徙途经的最后一个山口，被称作“埋伏巷”或“死亡谷”的危险地带。
斯考勒被突然冲出的蛇发女怪龙袭击，派奇带领兽群冲上去击退了蛇发女怪龙，救了斯考勒，兄弟俩重归于好。派奇成为了公认的兽群领袖，也终于获得了裘妮波的爱情，在派奇的带领下，兽群再一次上路，穿越阿拉斯加的草原迈向未来。
派奇与蛇发女怪龙搏斗过程中，用头将它的牙齿击落，这颗蛇发女怪龙的牙齿最终成为了一颗化石。每颗化石都隐藏着一个故事，而瑞希手中的牙齿化石是关于一只乐观勇敢的恐龙的成长故事。
影片中令人影响深刻的，还有派奇那句“有一天这些哺乳动物会绝种，我们会笑到最后”的台词，似乎在喜剧效果背后还有着一丝警醒意味，曾经的地球霸主庞大的恐龙都在地球演化过程中灭绝了，人类又究竟能在地球的食物链顶端待多久呢？
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