Nobita demande à Doraemon de l'emmener dans un endroit où ils peuvent plonger et, par conséquent, le robot-chat utilise plusieurs gadgets pour permettre à tous les deux de nager dans un océan imaginaire au-dessus du niveau de la mer. Par inadvertance, une sirène se retrouve dans la cour arrière de Nobita lorsqu'ils éteignent l'illusion. Son nom est Sophia et elle est une princesse d'une ancienne civilisation sous-marine. Doraemon, Nobita, Shizuka, Jyaian et Suneo deviennent rapidement ses amis et sont invités à visiter sa patrie. En se dirigeant vers le royaume sous-marin, ils se retrouvent au milieu d'un conflit entre les sirènes et une tribu adverse qui les a chassés de leur planète natale il y a des milliers d'années. Doraemon, Nobita et leurs amis doivent alors aider Sophia à trouver une épée légendaire qui pourrait ramener la paix dans les mers.