Bei einem Flugzeugabsturz im Meer werden die getrennt aufgewachsenen Halbbrüder Karl und David von ihrem gemeinsamen Vater getrennt. Sie werden an einer Insel angespült, die sich als Dinotopia entpuppt.
Dinotopia ist ein in technischer Hinsicht zurückgebliebenes Stück Land, das von der heutigen Welt völlig unentdeckt geblieben ist, obgleich es mehrere Quadratkilometer groß ist. Die Dinosaurier sind in diesem Teil der Welt noch nicht ausgestorben und besitzen dazu sogar die Fähigkeit zu sprechen. Dinotopias Politik wird getragen von den kommunistischen Grundideen und gibt den Menschen und Dinosauriern, die in ihm in einer Koexistenz leben, die Möglichkeit, in Harmonie miteinander zu leben.
Die Energie Dinotopias wird von den hell strahlenden Sonnensteinen gespeist, deren Energie jedoch zur Neige geht. Der Dritte Teil des Films handelt daher von der Suche nach neuen Sonnensteinen.
Weitere Handlungsstränge sind die Dreiecksbeziehung zwischen David, Karl und Marion sowie die Entwicklung der beiden Brüder: David wird mutiger und selbstbewusster, während er lernt, Pterosaurier zu fliegen. Karl lernt fürsorglicher zu werden, nachdem er ein Dinosaurierbaby anvertraut bekommt.


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