Nobita meminta Doraemon untuk membawanya ke suatu tempat mereka bisa menyelam dan sebagai hasilnya robot kucing menggunakan beberapa gadget untuk membuatnya mungkin bagi keduanya untuk bisa berenang di lautan imajiner di atas permukaan laut. Secara tidak sengaja putri duyung berakhir di halaman belakang Nobita ketika mereka mematikan ilusi. Namanya Sophia dan dia adalah putri dari peradaban kuno bawah air. Doraemon, Nobita, Shizuka, Jyaian, dan Suneo cepat menjadi teman-temannya dan diundang untuk mengunjungi tanah airnya. Sementara menuju kerajaan bawah laut mereka menemukan diri mereka di tengah konflik antara putri duyung dan suku berlawanan yang telah mendorong mereka jauh dari rumah mereka planet ribuan tahun yang lalu. Doraemon, Nobita, dan teman-teman mereka kemudian harus membantu Sophia menemukan pedang legendaris yang mungkin membawa perdamaian kembali ke laut.
