ついにタイムマシンであるカブトムシ型メカ、「タイムボカン」を完成させた天才発明家、木江田博士。試運転のため自らが乗り込み、何処かの時代へとタイムスリップした博士であったが、戻ってきたタイムボカンからその姿は消えてしまっていた。代わりに中にいたのはオウムのペラ助と、宇宙一高価と言われる宝石「ダイナモンド」。博士の助手の丹平と孫娘の淳子は、ペラ助の記憶を頼りにタイムボカンで博士を探す時間の旅に出ることに。しかし、悪党三人組マージョ一味もまた、博士のいる場所にダイナモンドがあると考え、タイムボカンの追跡を開始。博士の行方を探す丹平たちと、ダイナモンド獲得を狙うマージョ一味が、時間を越えて過去や未来で大激突する。