因为玩具机器人，大雄（小原乃梨子 配音）受到小夫（肝付兼太 配音）和胖虎（立壁和也 配音）的奚落，连哆啦A梦（大山のぶ代 配音）不愿帮他。为了寻找生气走掉的哆啦A梦，大雄通过任意门来到寒冷的北极，却在这里发现奇怪的机器人零件。在此之后，各式的零件源源不断从空中掉落至大雄的家中。由于零件过于巨大，为了不引起骚动，两个好友将机器运到镜面世界，并组装成巨大的机器人。他们兴奋地邀请静香（野村道子 配音）来镜面世界玩耍，偶然间发现机器人竟然装备有威力强大的武器。不久，一个名为莉露露（山本百合子 配音）的女孩出现在小镇上，她自称是机器人的主人。大雄他们热心地将镜面世界工具借给莉露露，却发现她在那里建立了毁灭地球的基地……

由于在现实生活中太过不顺，加上空地也无法玩耍，大雄和他的伙伴小夫、胖虎和静香决定进行史上最大规模的离家出走。同时，由于发生时空错乱，一名名叫古古儿的远古时代中国人来到20世纪的东京，后被大雄等发现，带到七万年前。原来古古儿所在的光明族被黑暗族侵略，而黑暗族的首领是来自未来世界的巨尊比，他妄图改变世界历史，但是在时光巡逻队的协助下，最后巨尊比的阴谋破产，而古古儿和他的部族来到了日本，成为日本人的始祖。舞台在七万年前的中国。

为了在新生欢迎会上表演话剧“西游记”，大雄班级举行的话剧的排练。大雄想当孙悟空，可是却只是村人甲。为了证明自己最像孙悟空，大雄用航时机来到中国唐朝，想见孙悟空，而且真的见到了（实际为大雄假扮）。后来大雄以哆啦A梦的道具为赌注，证明孙悟空很像大雄。大雄与他的朋友来到唐朝，却没有见到孙悟空。因此大雄用哆啦A梦的模拟游戏机假扮孙悟空，最后被识破。由于没有关好机器，游戏里的妖怪从游戏机里跑了出来。妖怪最后统治了世界，大雄他们也面临危险。 为了恢复历史，拯救玄奘法师，大雄与他的朋友假扮孙悟空等角色来保护玄奘法师。在穿越火焰山时，被玄奘法师的随从小杨（其实是红孩儿）带入牛魔王和铁扇公主的老巢，面临被煮的命运。这时哆啦美来到的火焰山，加上小杨的协助，最后大雄击败了妖怪。历史得到了恢复，玄奘法师与小杨继续到天竺取经，而大雄的回到了20世纪的日本。