Trong một lần chơi trò tàu hỏa, Nobita và các bạn bất ngờ được Doraemon mời lên một "chuyến tàu tốc hành bí ẩn" xuất hiện từ trong không gian. Hóa ra, đây là "Chuyến Tàu Tốc Hành Ngân Hà", một bảo bối của Doraemon, có thể đưa mọi người đến những hành tinh khác nhau để khám phá những trò chơi và cuộc phiêu lưu kỳ thú.
Nobita, Doraemon, Shizuka, Jaian và Suneo bắt đầu một hành trình đầy thú vị trên con tàu này. Tuy nhiên, họ sớm phát hiện ra rằng một nhóm người ngoài hành tinh độc ác tên là "Shadow" đang bí mật xâm chiếm các hành tinh mà họ đi qua. Kế hoạch của chúng là biến người dân ở đó thành "nô lệ bóng tối" để phục vụ cho mục đích xấu xa của mình.
