Doraemon: Nobita và Mặt Trăng phiêu lưu ký bắt đầu bằng chuyện Nobita tin vào truyền thuyết Thỏ ngọc sống trên Mặt trăng. Tuy nhiên, khi chia sẻ điều đó với bạn bè, cậu chỉ nhận lại được những lời cười nhạo.

Cũng như bao lần, Nobita trở về nhà và kể hết mọi chuyện cho Doraemon trong sự buồn bã và tức giận. Để giúp đỡ người bạn thân, chú mèo máy quyết định lôi bảo bối “Huy hiệu Câu lạc bộ Dị thuyết" ra sử dụng. Sau đó, bộ đôi cùng nhau xây dựng nên vương quốc Thỏ trên Mặt trăng.

Từ đó, Nobita vô tình khám phá ra sự sống thực sự ở phía bên kia của Mặt trăng, gặp gỡ tộc Espals - những cá nhân được tạo ra từ khoa học công nghệ và mang trong mình siêu năng lực từ Ether.

Nguồn năng lượng ấy có thể giúp họ làm tươi tốt cỏ cây, dịch chuyển tức thời, và điều khiển vật thể theo ý muốn. Sau khi biết được quá khứ của những người bạn mới, nhóm Nobita quyết định giúp đỡ tộc Espals chiến đấu chống lại thế lực đen tối do Diabolo đứng đầu.