夏休みの課題として、のび太は町の歴史を調べることになった。ドラえもんと一緒に「タイムカメラ」というひみつ道具を使い、様々な時代の町の風景を写真に収めていく。すると驚いたことに、最後に撮影した一枚に、日本の昔話の英雄・桃太郎が宝物を積んだ荷車を引いている姿が写っていた。 その後、のび太のママが出会った外国人から、子供たちは侍姿の人物が描かれた小さな絵を見せられる。その絵はまるで写真のようで、そこに描かれた人物は桃太郎にそっくりだった。外国人はこの絵を先祖から受け継ぎ、その由来の真実を求めて日本へやって来たのだ。 のび太は、桃太郎が実在の人物だったかもしれないと考え始める。謎を解くため、彼はドラえもん、しずか、ジャイアン、スネ夫と共に、日本の過去へと旅立つのだった。