A caminho de uma festa em que não querem participar, os Famosos Cinco ficam quase aliviados quando o carro da tia Fanny quebra, enfiando-os em uma cidade pequena. Para passar o tempo, eles visitam o museu de história natural local, onde alguns ossos de dinossauros recém-descobertos estão sendo revelados. Aqui eles encontram Marty, que diz a eles que seu pai, morto há muito tempo, supostamente encontrou um esqueleto completo de dinossauro e fez um mapa de seu paradeiro. Infelizmente o mapa foi roubado. Incapaz de deixar um bom mistério sem solução, George, Julian, Dick, Anne e Timmy se juntam a uma caminhada guiada pelo Vale dos Dinossauros. Mas sua missão de descoberta de fatos logo se transforma em uma corrida para encontrar o dinossauro quando suspeitam que o ladrão é um dos membros do grupo.