前往尼比市科學博物館
小智和小豪為了完成暑假的「自由研究」課題，來到了關都地區的尼比市科學博物館。館內正舉辦大型化石寶可夢展覽，兩人見到了活生生的菊石獸、化石盔與鐮刀盔。雖然他們錯過了史上最大的盾甲龍特別展，但博物館館長（一位熱愛浪漫的冒險家）邀請他們參加化石挖掘體驗活動，並承諾如果挖到狀態良好的化石，甚至有機會將其復原。
挖掘體驗與秘密琥珀的發現
在挖掘場中，小智和皮卡丘挖到了寶可夢的足跡化石，而小豪則挖到了太古羽蟲的爪子化石。正當眾人努力挖掘時，混入現場的火箭隊三人組（武藏、小次郎與喵喵）也企圖偷取復活完成的寶可夢。就在活動接近尾聲時，小豪意外發現了一塊極為罕見的「秘密琥珀」，裡面封存著遠古寶可夢的基因。館長驚嘆不已，並決定立刻在復原室使用化石復原裝置進行復原作業。
火箭隊的干擾與實驗室爆炸
由於復原過程需要等待至隔天早晨，小智一行人決定在寶可夢中心留宿。然而，急功近利的火箭隊在深夜潛入實驗室，小次郎試圖修改裝置參數以加速復原，卻導致裝置超負荷運行並發生劇烈爆炸。爆炸雖然加速了復原，卻讓剛甦醒的化石翼龍陷入極度恐慌與憤怒之中。化石翼龍衝破實驗室飛向天空，並在博物館周邊大肆破壞。
化石翼龍的收服大戰
小智與皮卡丘負責阻攔火箭隊，並與他們從扭蛋機中喚出的尼多力諾與隆隆石展開戰鬥，最終以電網成功擊退敵人。另一方面，小豪為了阻止暴走的化石翼龍，派出泥偶巨人與其對峙。面對身為「廣闊天空王者」的化石翼龍，小豪察覺到牠是因為甦醒後面對完全陌生的世界而感到害怕。小豪利用泥偶巨人的加農光炮限制其行動後，溫柔地與化石翼龍對話，告訴牠這個時代雖然陌生但並不可怕，希望能與牠一起適應新生活。化石翼龍被小豪的誠意打動，最終自願進入精靈球，成為小豪的新夥伴。
冒險的收穫與成長
事件解決後，小豪成功收服了珍貴的化石翼龍，而小智與小春也透過這次與古老生命的接觸，對寶可夢的世界有了更深層的理解與成長。館長對這次充滿「浪漫」的冒險感到非常滿意。小智一行人告別了尼比市，準備迎接接下來前往城都地區與彩豆的挑戰戰。