在空地上，小夫（肝付兼太 配音）向大家炫耀现在最畅销的神秘火车的车票，胖虎（立壁和也 配音）和静香（野村道子 配音）恳求小夫也带他们去。这时，大雄（小原乃梨子 配音）急匆匆跑了过来，哆啦A梦（大山信代 配音）已经三天没回家，小夫和胖虎在一旁幸灾乐祸的笑着。晚上，哆啦A梦回来了，原来这三天他跑到了22世纪去买银河列车的车票。第二天晚上，银河列车在后山停站了，大雄和哆啦A梦开始了他们的银河之旅，车长（伊仓一恵 配音）总是笑嘻嘻，很有礼貌。另一边，神秘的生命体降落在了后山，是来自宇宙的寄居物，寄居物将自己附在人类的身体上，来操纵人的大脑，他们的目的是将整个地球毁灭掉。
　　在车上奇奇怪怪的事情发生不断，大雄在车厢外看到了一个忍者，小夫说看见了海盗，胖虎则看见了恐龙。哆啦A梦告诉大雄他们出现了一伙“神秘黑色影团”。遭到黑色影团的袭击后，列车在一颗行星上停下了，而冒险这才刚刚开始……

在一次偶然的情况下，大雄（小原乃梨子 配音）与多啦A梦（大山羡代 配音）穿过秘密通道时空圈，闯进一个森林中古代文明的国度——玛雅王国，他们遇上跟大雄长得一模一样的迪奥（绪方惠美 配音），迪奥是玛雅王国的王子。迪奥王子的母亲中了魔女娜汀拉（唐泽润 配音）的诅咒，长眠不醒。为了救母亲，迪奥王子一定要打败娜汀拉。因此在森林中修炼。迪奥王子从大雄口中得知现代日本的事，便对日本产生兴趣，所以迪奥便希望与大雄转换身份，到日本修炼。大雄便成为了王子；王子就成了大雄，各自展开不一样的生活，最后迪奥在日本认识了技安等人，他们一起去对抗娜汀拉，究竟他们能否打败娜汀拉救迪奥的母亲……
　　本片是为了纪念哆啦A梦诞生30周年而制作的，是哆啦A梦电影系列第21部作品。