のび太はドラえもんに、どこかダイビングできる場所へ連れて行ってほしいと頼む。するとロボットネコはいくつかのひみつ道具を使い、二人が海面より上の架空の海で泳げるようにしてくれる。幻影を消したとき、誤って人魚がのび太の裏庭に現れてしまう。彼女の名はソフィア。古代の海底文明の王女だった。ドラえもん、のび太、しずか、ジャイアン、スネ夫はすぐに彼女と友達になり、彼女の故郷を訪れる招待を受ける。海底王国へ向かう途中、彼らは人魚族と、数千年前に彼らを故郷の星から追いやった敵対種族との争いに巻き込まれてしまう。ドラえもんとのび太、そして仲間たちは、海に再び平和をもたらすかもしれない伝説の剣をソフィアと共に探さなければならない。