ある日、科学者の木江田博士は、自ら開発したカブトムシ型のタイムマシン「タイムボカン」の試運転に出発する。だが、しばらくして帰ってきたのは、喋るオウムのペラ助と、世界最高級の宝石「ダイナモンド」だけで、博士本人は姿を消してしまい、行方不明となる。
博士の孫娘・淳子と、博士の助手である丹平はコンビを組み、失踪した博士を探すため、時空を超えた旅に出る決意をする。
一方で、木江田博士の動向を密かに監視していた悪党トリオ・マージョ一味は、博士の行方の先にダイナモンドがあると踏み、タイムボカンを追跡して彼らの旅を妨害しようと動き出す。
その後、博士は無事に現代へと帰還し、丹平たちと再会を果たす。それ以降は、悪党トリオによるダイナモンドの強奪阻止や、ペラ助の故郷を探す新たな冒険が続いていく。
