大雄班级为准备新生欢迎会，决定排演话剧《西游记》。大雄满心期待扮演孙悟空，结果只得到一个村人甲的小角色。他不服气，坚持自己最像孙悟空，便用航时机独自前往中国唐朝，想亲眼见到真正的齐天大圣。令他惊喜的是，他真的遇到了孙悟空，还和这位神话英雄有了交集。然而，大雄的擅自行动扰乱了时空秩序，导致原本被封印的妖怪纷纷逃出，西游记世界陷入大乱。唐僧、孙悟空、猪八戒、沙僧师徒四人的取经之路遭到严重破坏。为了弥补过错，大雄与哆啦A梦、静香、胖虎、小夫一同穿越到那个混乱的时代。他们借助秘密道具，与妖怪展开斗智斗勇的较量，努力让故事回到正轨。在这个过程中，大雄也逐渐明白，真正的英雄不在于扮演什么角色，而在于勇敢承担责任、守护同伴。