現実世界で何もかもがうまくいかないのび太は、この世界に魔法がないと不満を漏らしていた。ある日、自分とドラえもんの石像を偶然発見し、その石像のいわれを不思議に思っていたところ、魔法に憧れるのび太はひらめき、「もしもボックス」を使って夢を実現させようとする。すると、石像も消えてしまった。しかし、現れた魔法世界はのび太の理想郷ではなく、彼を落胆させる。有名な魔法研究者・満月博士が恐ろしい知らせを伝える――魔界星がまもなく地球に最接近し、超巨大地震と台風が襲来するという。のび太が現実世界に戻ろうとしたとき、「もしもボックス」はすでにママに捨てられていた。満月博士が古文書を解読した後、連れ去られ、逃亡したミヤコはのび太たちの支援を得て、魔界星へ向かう。
魔界星では、魔界の南極、人魚と魔魚が住む幻惑の海、迷い込んだら帰れない不帰平原、魔獣がうごめく雨林など、数々の大冒険を経験する。最後に大魔王と対峙したとき、古文書の記載によれば、銀のブーメランをその心臓に打ち込めば消滅させられると知る。しかし実際には大魔王に傷一つ負わせられず、全員が大魔王の魔力で魔界の郊外へ吹き飛ばされてしまう。吹き飛ばされたのび太一行が夜に反撃を試みようとしたとき、悪魔軍団の追っ手も迫り、一行は次々と捕らえられる。ミヤコはのび太を救うため、自らを囮にし、古文書をのび太に託す。魔王の心臓に関する最後の文章を解読するよう頼み、のび太は必ず彼女を救い出すと誓う。
最後に捕まらずに残ったのはのび太とドラえもんだけだった。絶望する二人だったが、ひらめきでタイムマシンを使い、最初に「もしもボックス」を使おうとした考えを阻止する方法を思いつく。しかし同時に大魔王も彼らの動きを察知し、魔女メドゥーサを派遣して追跡させる。悪魔は彼らについて超空間を通り時空異次元を越え現実世界に現れ、彼らを石像に変えて任務を完了する。その時、彼らは初めて気づく――あの二体の石像は未来の自分たちだったのだ。一方、捕らえられたミヤコ一行は、地球が魔界星に飲み込まれる前夜、生贄として食べられようとしていた。のび太とドラえもんが身動きできない中、救世主ドラミが未来から駆けつけ、タイムふろしきで彼らを元に戻し、自身の「もしもボックス」を使ってすべてを現実世界に戻す。しかし実際にはまだ終わっていなかった。魔法世界がまだ危機に陥っており、彼らには大魔王を倒し、ミヤコ一行を無事救い出す義務があった。そこで彼らはタイムマシンで魔界に戻り、魔王の心臓は本体ではなく外宇宙(悪魔座の『アルファ』星)に隠されていることを知る。彼らはミヤコ一行を地下牢から救い出し、再起を図り、外宇宙で大魔王の悪魔軍団と決戦を挑む。
のび太一行がミヤコの魔法の絨毯でアルファ星へ向かう途中、大魔王の追っ手が襲来する。彼らは魔法で星を雷に変えてのび太たちを攻撃し、最後にジャイアンが銀のブーメランで大魔王の心臓を仕留める。心臓と魔界星は共に滅び去る。
のび太一行は満月牧師の家を再建し、ドラミの「もしもボックス」で全てを現実世界に戻す。スネ夫は夢だったと思い、のび太
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