เรื่องราวเริ่มต้นด้วยการประกาศที่แหวกแนว: ยานสำรวจดวงจันทร์ได้จับภาพการประจักษ์สีขาวที่ลึกลับ เมื่อโนบิตะได้ยินข่าวนี้ ก็มีความเชื่อมั่นในความถูกต้องอย่างสมบูรณ์ เขาเชื่อว่า 'กระต่ายพระจันทร์' มีจริง สร้างความสนุกสนานให้กับเพื่อนๆ ของเขาเป็นอย่างมาก เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เขาจึงขอความช่วยเหลือจากเพื่อนรักของเขา โดราเอมอน ด้วยความช่วยเหลือจาก 'เข็มกลัดชมรมความคิดที่แตกต่าง' โนบิตะจึงได้ผ่านไปยังอีกฟากหนึ่งของดวงจันทร์ ซึ่งเป็นที่ที่ความมืดปกคลุมอยู่ โนบิตะและโดราเอมอนร่วมกันเสกสรรอาณาจักรกระต่ายพระจันทร์ โดยได้รับแรงกระตุ้นจากความปรารถนาของโนบิตะที่จะได้รับการตรวจสอบจากเพื่อนๆ ของเขา อย่างไรก็ตาม เมื่อกลับมายังโลก พวกเขาได้พบกับเด็กหนุ่มลึกลับชื่อลูก้า ซึ่งได้เข้าเรียนในโรงเรียนเดียวกันกับโนบิตะ ลูก้ามีประวัติศาสตร์ที่ซับซ้อนเกี่ยวพันกับดวงจันทร์และตำนานของดาวเคราะห์คางุยะ!