수천만년 전 결투를 벌이다 죽은 두 마리의 공룡이 화석으로 발견된 일화를 공룡 타르보(정준하)가 들려주며 영화가 시작된다. 잠시 뒤 타르보는 공룡 화석을 찾기 위해 몽골의 고비사막에 온 탐사대를 발견한다. 7개국에서 모인 13명의 전문가로 구성된 탐사대로, 한국의 이융남 박사가 지휘를 맡고 있다. 탐사대가 찾는 것은 2008년 경기도 화성 시화호에서 발견된 공룡 화석과 관련된 흔적들이다. 발견 당시 임시로 ‘공룡X’라는 이름이 붙은 화석의 주인공은 이전까지 학계에 발표된 적이 없던 새로운 종의 공룡이라고 한다. 내레이션으로 탐사 작업에 관한 대화가 흘러나오는 한편 타르보가 화석과 관련된 각종 공룡들의 이야기를 들려준다.

실제로 이융남 박사가 이끈 국제공룡탐사대는 ‘공룡X’의 기원을 찾기 위해 고비사막으로 떠났었고 당시 이동희 감독은 그 여정을 담은 TV다큐멘터리 <공룡의 땅>(2009)을 연출했다. <다이노X탐험대>는 <공룡의 땅>과 몇년 뒤 ‘공룡X’의 정체가 밝혀진 이후 이와 관련된 뿔공룡의 진화를 다룬 TV다큐멘터리 <1억년 뿔공룡의 비밀>(2014)을 재편집해 만든 작품이다. 추가된 것이 있다면 보강된 CG와 주관객층으로 설정된 아이들의 이해를 돕기 위해 코믹하게 구성한 내레이션 정도다. 문제는 맥락이 다른 두 작품을 볼거리 위주로 뒤섞다보니 전개가 산만하다는 점이다. 또한 탐사대가 고비사막에서 작업하는 장면과 이와 무관하게 타 학자가 다른 지역에서 행한 연구 성과를 별다른 구분 없이 이어붙이는 방식도 의문을 남긴다.