아기공룡 둘리는 1억 년 전 거대한 빙산 조각에 갇혀 엄마와 헤어지게 되고 그 안에서 깊은 잠에 빠지게 된다. 어느 날 한강으로 빙산 조각이 흘러 들어오게 되고 조금씩 얼음이 깊은 잠에서 깨어난 둘리는 우연히 쌍문동에 사는 소시민 고길동의 집에 머물게 되는데, 호기심 많고 말썽꾸러기인 둘리로 인해 고길동의 집은 그날부터 하루도 맘 편할 날이 없다. 

거기에 ‘공포의 공갈 젖꼭지’ 희동이, 외계인 도우너, 귀부인 타조 또치, 가수지망생 마이콜이 가세하고 이들은 타임 코스모스를 타고 빨리 어른이 되기 위해 미래로 여행을 떠난다. 그러나 타임 코스모스의 작동실수로 이들은 우주의 미로 속, 얼음별로 향하게 되고 그곳에서 둘리는 꿈에 그리던 엄마를 만나게 된다. 하지만 얼음별은 우주의 악당 바요킹에 의해 지배당하고 있었고 둘리 일행은 바요킹의 추격에 쫓기기 시작한다.