วันหนึ่งที่โดราเอมอนได้ถูกขโมยกระดิ่งห้อยคอไปโดย “จอมโจรดีลักซ์” ขณะนอนหลับ ทำให้กลายเป็นหุ่นยนต์แมวเพี้ยน ๆ ที่ใช้งานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพไปเสียอย่างนั้น โนบิตะที่กำลังเห่อเรื่องลี้ลับอยู่จึงได้ใช้อุปกรณ์วิเศษ “เชอร์ล็อกโฮล์มส์เซ็ต” ที่แม้ว่าจะเป็นของเล่นสืบหาของหายเล็ก ๆ น้อย ๆ แต่ได้ชักนำให้โนบิตะทำตัวเป็นนักสืบ และเบาะแสทั้งหมดก็พาทุกคนไปสู่พิพิธภัณฑ์ของวิเศษแห่งโลกอนาคต ที่รวบรวมของวิเศษทุกชิ้นที่เคยมีมาในโลกนี้ แต่แล้วความสนุกเพลิดเพลินก็ไม่ได้หยุดอยู่แค่ตรงนี้ เมื่อจอมโจรดีลักซ์ผู้ที่ขโมยกระดิ่งของโดราเอมอนไปก็ปรากฏตัวขึ้น และหมายตาของวิเศษในพิพิธภัณฑ์แห่งนี้อีกเช่นกัน เป้าหมายของจอมโจรดีลักซ์คืออะไร และโนบิตะกับผองเพื่อนจะตามหากระดิ่งของโดราเอมอนเจอได้อย่างไร การผจญภัยในแดนมหัศจรรย์ที่ไม่เคยมีมาก่อนในโดราเอมอนเดอะมูฟวี่กำลังรอทุกคนเข้าไปค้นหาความลับในพิพิธภัณฑ์แห่งนี้กันอยู่