本系列は、日本の高速電車におけるVVVF制御技術開発の揺籃の一つとなった点で特筆される。20系の段階ではGTOインバータの容量などの制約から1台の制御器で2基の主電動機を制御する1C2M構成のものを2セット搭載しており、制御器はそれぞれ東芝BS-1408-B、日立VF-HR-103、三菱SIV-V564-M-1・-2であった。本系列の中でも第1編成 (2601F) については3両の電動車の電装品を東芝(2101)・日立製作所(2201)・三菱電機(2301)の3社がそれぞれ1両ずつ分担して担当するなど試作要素が多く見られ、各社が量産に必要なデータを収集するための量産先行試作車的な性質の強いものであった。なお、電動車の電装品のメーカーは、2601F以外については編成内で1社に統一されている。主電動機はVVVF制御のため、従来の10系までと比較して整流子が不要となり、主電動機容積に余裕が生まれて磁気回路の容量が増強され、10系の東芝SE-617Aと比較して10kW増の端子電圧550V時1時間定格出力140kW/1600rpmが実現された。また、製造メーカーはこれまで東芝の1社指名であったものが、制御器の製造に参加する3社全てから供給されるように改められており、このため東芝SEA-309、日立HS-34529-02RB、三菱MB-5012-Aと3種の4極自己通風式三相かご形誘導電動機が採用されている。台車は、10系用インダイレクトマウント・ノースイングハンガー・軸ばね式空気ばね台車であるDS-10とほぼ同仕様のDS-20が採用されている。また、車輪内周部に異種金属による防音リングを圧入してきしり音の低減を図った、防音波打車輪を装着する。集電装置は10系と同様に離線等による回生失効を防止する目的で、隣接する2両の電動車の内一方（Ma車）の全台車ともう一方（Mb車）のMa車寄り台車の合計左右3カ所ずつに設置されている。ブレーキ装置は10系に準じた全電気指令式であるが、小改良が施され形式に変更が生じた（OEC-3）。
秋のある日、恐竜が今でも生き残っていると言い張り、例によってジャイアンとスネ夫に笑い者にされたのび太は、ドラえもんのひみつ道具「○×うらない」でも「地球上に生き残っている恐竜はいない」と判定され落胆する。ところが直後、多奈川で巨大な生物を目撃したスネ夫は、それが恐竜ではないかという疑念にかられてすっかり動転してしまい、挙げ句の果てにノイローゼになってしまう。一方、のび太は0点の答案を隠すためにひみつ道具の「どこでもホール」を使い、地底にある大空洞を発見する。ドラえもんとのび太はしずかやジャイアンを誘って地底の大空洞を秘密の遊び場にするが、独り、恐竜の幻の正体を突き止めようと単独行動していたスネ夫が地底で迷子になり、その直後に「どこでもホール」が壊れてしまう。地底に行くすべを失ったと一端は悲嘆するものの、ドラえもんの一計により秘密道具の力で多奈川の河底から地底への入口があると知った一行は、スネ夫を救うべく地底の更に奥に向かう。そこには広大なジャングルが茂り、恐竜が闊歩する世界が広がっていた。そこで一行は河童そっくりな地底の野蛮人ナンジャ族に捕まってしまう。あわや地底人の餌にされそうになったところで竜の騎士バンホーが彼らを救い出す。地上で滅亡したと思われていた恐竜は地底、すなわち「地球上」ならぬ「地球内」に生き残り、トロオドン（旧名：ステノニコサウルス）から進化した恐竜人（ディノサウロイド）が高度な文明を築き上げていたのだった。バンホーの案内でドラえもんたちは地底国の首都・エンリルで保護されていたスネ夫と再会したが、バンホーの妹ローの案内で首都観光をしていたのび太は偶然の事故で迷い込んでしまった謎の施設の中で、恐竜人たちが不穏な計画を立てていることを知ってしまう。ドラえもん達は逃走を図るが失敗し、今度は謎の施設にあった巨大な船に連行されてしまう。それは巨大な船型のタイムマシンだった。のび太たちを乗せたまま船が向った先は恐竜が滅びる前の太古の地上(6500万年前の北アメリカ大陸北部)だった。恐竜人たちの目的は歴史を改変して恐竜の絶滅を防ぎ、地上を再び我が物にすることだった。それに気づいたドラえもんたちは秘密道具で脱出した上で要塞を作り籠城。繰り出される数々の秘密兵器の力を見た恐竜人たちは「恐竜を絶滅させたのはドラえもんたちではないか」と疑い始めた。その最中、巨大な彗星が地平線をかすめ海上に落下。凄まじい衝撃波で周囲を吹き飛ばし、その煽りで巨大な津波が発生する。恐竜人たちはタイムマシンに引き返して地中に潜行し、ドラえもんたちは秘密道具で地下室を作って難を逃れる。地下室の中をヒカリゴケで照らし出したドラえもんたちは、この地下室のできた位置と内部の広さが、過去に恐竜の絶滅を回避させた聖域と呼ばれる空間と同じであったことに気付く。すなわち、聖域はドラえもんの秘密道具によって人為的に作り出されたものだったのだ。恐竜人たちに停戦を申し入れたドラえもんは、恐竜を絶滅に導いた原因(小天体衝突による環境激変)を説明し、悲嘆に暮れる恐竜人たちのために援助を申し出る。秘密道具の力で地下室を改造して、可能な限りの恐竜たちを移住させたのである。こうして聖域に逃れた恐竜たちは進化の道を辿り、今日の恐竜人の文明の礎を築いていくこととなった。バンホー等と共に地底世界に戻ったドラえもんたちは真相を知った恐竜人たちから国を挙げての大歓待を受けた。バンホーとローはドラえもんたちを約束通り地上に送り届け、いつか地上と地底の架け橋ができることを願いながら別れる。夢のような冒険が終わり感慨にふけっていると、のび太のママが突然怒り出した。地底世界に置き忘れた0点の答案の束がバンホーの手で送り届けられてきたのだ。慌てて逃げ出しながら「もう1度地底に行く機械をだしてくれ」と、のび太はドラえもんに泣きつくのだった。