Doraemon: Stand By Me sẽ là câu chuyện hoàn thiện về hành trình từ ngày đầu gặp gỡ cho đến lúc chia xa của Doraemon và Nobita. Ngày đầu tiên là ngày cậu bé Sewashi – con cháu 4 đời của Nobita ở thế kỷ 22 – du hành qua cỗ máy thời gian và mang theo một chú robot có chức năng giúp đỡ mọi người bằng những món bảo bối bí mật. Sewashi nói rằng cả gia đình đang phải gánh chịu khoản nợ nần mà Nobita để lại. Vậy nên Sewashi mang Doraemon tới giúp đỡ Nobita, vừa có thể thay đổi tương lai bi đát đó và vừa giúp Nobita được hạnh phúc hơn.

Một ngày Doraemon, Nobita, Shizuka, Gian và Suneo quay một bộ phim về đề tài những anh hùng vũ trụ. Khi họ đang làm thì bất ngờ gặp một sinh vật ngoài sinh vật tên là Aron đang chạy trốn kẻ thù, thấy được sức mạnh của nhóm Aron đã nhờ cứu giúp hành tinh của cậu ấy khỏi những quái vật vũ trụ. Nhóm Nobita đồng ý và chiến đấu hết mình để giúp mặc dù chiến đấu với những quái vật ấy là không dễ dàng.

Trong thế kỷ 20, Nobita đã nảy ra ý tưởng sẽ rời khỏi nhà và tìm một nơi tốt đẹp hơn để tạm sống. Cùng lúc đó, những người bạn của Nobita là Shizuka, Gian, Suneo và Doraemon cũng muốn trốn chạy khỏi ngôi nhà của mình vì nhiều lý do khác nhau. Từ đó, Nobita đã đề xuất cả nhóm sẽ đi ngược thời gian, trở về quá khứ để đến sống một nơi ít người. Tất cả đều đồng ý và quyết định quay ngược thời gian trở về Nhật Bản thời nguyên thủy ở thời điểm 70.000 năm trước.