在一个宁静的日子里，大雄在房间突然发现一封奇怪的偷盗预告信，他没当回事。可他刚离开一会儿，正在壁橱睡午觉的哆啦A梦，其最喜欢的铃铛就被绰号为DX的神秘怪盗偷走了。为找回铃铛，哆啦A梦拿出侦探道具——夏洛克·福尔摩斯套装和联想式推理放大镜查找犯人，目标锁定在未来世界的“秘密道具博物馆”。 为取回铃铛，大雄、哆啦A梦、静香、胖虎、小夫等好友在哆啦美帮助下，前往未来世界的秘密道具博物馆。在这座收藏着各类秘密道具的梦幻博物馆里，他们遇到馆长费吉斯和见习道具制造者库尔特，告知铃铛被盗之事，还得知博物馆也遭怪盗DX偷窃。 大伙一边参观博物馆，一边找破案线索，由库尔特担任向导。过程中，大雄他们见识了神奇有趣的道具及其由来。参观时，库尔特说去上厕所后独自离开。胖虎和小夫走散，误入格列佛隧道变成小人，进入通风道，来到费吉斯馆长的秘密办公室，发现馆长在搞秘密事情。哆啦A梦等人则误打误撞来到博物馆禁区，见到世界首个人造太阳机器，震惊不已，还触动了警报器，好在费吉斯馆长及时赶到制止并解说由来。 之后，众人在费吉斯馆长安排下去库尔特家过夜，认识了库尔特的小宠物波波恩，度过平静夜晚。第二天再去博物馆时，发现因收到怪盗DX的盗窃预告信而暂停营业。 为抓住怪盗DX、夺回铃铛，众人和马士达德警官全副武装守在博物馆。怪盗DX准时出现盗窃，众人用各种道具抓捕，但怪盗DX手段多样，突破阻碍盗走道具。抓捕失败后，众人现场清查，用联想式推理放大镜找到线索和秘密通道。在密道里，凭借团结和决心突破难关，潜入秘密实验室，找到怪盗DX。激战中，大雄捡到库尔特掉落的位置跟踪仪，揭开怪盗DX真面目，原来他就是库尔特，之前和他们在一起的库尔特是变身机器人变的。