Nobita meminta Doraemon untuk membawanya ke suatu tempat di mana mereka dapat menyelam dan sebagai hasilnya, robot-kucing ini menggunakan beberapa gadget untuk memungkinkan mereka berdua dapat berenang di samudra khayalan di atas permukaan laut. Secara tidak sengaja, seekor putri duyung berakhir di halaman belakang rumah Nobita ketika mereka mematikan ilusi tersebut. 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 tanah kelahirannya. Dalam perjalanan menuju kerajaan bawah laut, mereka menemukan diri mereka berada di tengah-tengah konflik antara putri duyung dan suku lawan yang telah mengusir mereka dari planet asal mereka ribuan tahun yang lalu. Doraemon, Nobita, dan teman-temannya kemudian harus membantu Sophia menemukan pedang legendaris yang dapat membawa kedamaian kembali ke lautan.