Nobita demande à Doraemon de l'emmener quelque part où ils peuvent plonger et, par conséquent, le robot-cat utilise plusieurs gadgets pour permettre aux deux de nager sur un océan imaginaire au-dessus du niveau de la mer. Inadvertamment, une sirène finit dans le jardin de Nobita quand 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 trouvent dans un conflit entre les sirènes et une tribu adverse qui les a chassés de leur planète 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.