Nobita meminta Doraemon untuk membawanya ke suatu tempat di mana mereka bisa menyelam dan sebagai hasilnya, robot kucing itu menggunakan beberapa gadget untuk memungkinkan keduanya berenang di lautan imajiner di atas permukaan laut. Tanpa sengaja, seorang putri duyung berakhir di halaman belakang Nobita ketika mereka mematikan ilusi itu. Namanya Sophia dan dia adalah seorang putri dari peradaban bawah laut kuno. Doraemon, Nobita, Shizuka, Jyaian, dan Suneo dengan cepat menjadi teman-temannya dan diundang untuk mengunjungi kampung halamannya. Saat menuju kerajaan bawah laut, mereka menemukan diri mereka di tengah konflik antara putri duyung dan suku lawan yang telah mengusir mereka dari planet asal mereka ribuan tahun yang lalu. Doraemon, Nobita, dan teman-teman mereka kemudian harus membantu Sophia menemukan pedang legendaris yang mungkin membawa perdamaian sekali lagi ke lautan.