どこでもドアで北極に来たのび太は、偶然にもロボットの部品を発見した。しかし部品が大きすぎたため、ドラえもんと共に鏡面世界という無人の世界へ持ち込み、組み立てることにした。組み立てが完了すると、ドラえもんはそのロボットを「サンタクロース」と名付けた。喜んでサンタクロースを操縦していたところ、偶然にもそれが破壊的なミサイルを装備していることに気づいてしまう…。 現実世界で、のび太は偶然にも自分をロボットの所有者と名乗るリルルと出会い、鏡面世界に入るための道具を借りた。しかし後になって、のび太とドラえもんは鏡面世界に地球を攻撃するための基地が建設されていることを発見する！その指揮を執っていたのはリルルで、彼女は機械理想国から派遣され、鉄人兵団を地球へ導くために来たロボットだったのだ。 地球の危機を救うため、のび太たちは鉄人兵団との戦いを決意する。リルルが負傷し、しずかに救われたことで、彼女はしずかと地球征服の行為の是非について話し合う。鉄人兵団はリルルの連絡を待たず、すでに大規模に地球へ到着していたため、のび太たちは鏡の中の世界で鉄人兵団との戦いを開始する。リルルはしずかの思いに心を動かされ、自分たちの行為の不当さを真剣に考え始め、しずかと共に3万年以上前の時代へ赴き、当時機械理想国の祖先を作り出した人間の博士を見つけ、その祖先を改造し、子孫のロボットが地球征服を望まないようにしようと試みる。