O enredo acompanha as férias de verão de Nobita e seus amigos, que se aventuram nas águas do Oceano Pacífico. Jaian e Suneo pegam o veículo submarino de Doraemon e viajam pelo Atlântico em busca de um navio tesouro. Ao longo da jornada, descobrem que a arma ambiental usada por Doraemon para protegê-los está ficando sem energia, deixando-os vulneráveis ao mar. Felizmente, são resgatados por criaturas marinhas.
Mais tarde, Doraemon e os amigos são capturados pelas mesmas criaturas, que se revelam habitantes do reino subaquático de Mu. É então descoberto que outro reino submarino, Atlantis, agora controlado por robôs, está prestes a destruir a Terra com armas nucleares depois de confundir uma erupção vulcânica com uma invasão.
Com a ajuda de um garoto de Mu, Nobita e seus amigos tentam impedir os robôs, mas acabam todos capturados. Quando tudo parece perdido, o veículo submarino robótico de Doraemon se sacrifica para destruir o computador que controla todos os robôs e as armas nucleares.
Ao retornar a Mu, Doraemon e seus companheiros são recebidos como heróis.
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