大峽谷的化石挖掘熱潮
小智、小霞與小剛一行人來到了著名景點「大峽谷」，發現這裡正湧入大批挖掘化石的人潮。在那裡，小智遇見了宿敵小茂，小茂嘲諷小智反應遲鈍，並聲稱自己一定會比小智更早挖到珍貴化石。雖然小茂隨後挖到一塊寶可夢糞便化石引起一陣騷動，但這股「化石夢」讓小智也燃起了鬥志，準備大展身手。
火箭隊的陰謀與地底洞穴的危機
正當大家努力挖掘時，火箭隊的武藏、小次郎與喵喵現身，打算利用大量炸藥炸毀峽谷，直接奪取地底所有的化石。小智為了阻止他們，派出傑尼龜試圖熄滅導火線，卻在混亂中與火箭隊一同被捲入大爆炸，墜落到極深的地底洞穴。小霞與小剛在地面上心急如焚，趕緊求助君莎小姐並派出寶可夢展開搜救。
沉睡萬年的古代寶可夢現身
在漆黑的地底，小智與火箭隊驚訝地發現，這裡竟然生存著數萬年前理應滅絕的古代寶可夢：化石盔、鐮刀盔、菊石獸與多刺菊石獸。這些寶可夢並非化石，而是長期處於休眠狀態，卻因火箭隊的爆炸而憤怒地甦醒，對小智等人發動攻擊。小智派出不聽話的火恐龍應戰，但火恐龍卻消極怠工，讓場面一度陷入困境。
化石翼龍襲擊與噴火龍進化
就在眾人疲於應付時，最強的地底掠食者「化石翼龍」現身，巨大的威壓讓其他古代寶可夢落荒而逃。化石翼龍抓走了小智，飛向空中。原本傲慢的火恐龍看到化石翼龍對自己露出挑釁的態度，激發了強烈的鬥爭心，竟然在瞬間進化成了「噴火龍」。雖然噴火龍飛上天與化石翼龍搏鬥，但牠似乎只是想證明自己的實力，並非真心想救小智。
胖丁的歌聲與神祕的寶可夢蛋
關鍵時刻，一直尾隨小智一行人的胖丁突然現身，並在大峽谷中央高歌。胖丁的歌聲讓化石翼龍、噴火龍以及大峽谷中所有的人都陷入沉睡，化石翼龍墜回洞穴深處，小智也幸運獲救。當大家醒來後，君莎小姐將這次事件解釋為胖丁引起的集體幻覺，古代寶可夢的真相也再次被掩蓋在地底。旅程結束前，小智在洞穴中意外發現了一個神祕的寶可夢蛋，並交由小剛保管，帶著新的謎題繼續前往紅蓮島的旅程。