為了在新生歡迎會上表演話劇《西游記》，大雄（小原乃梨子配音）班級展開排練。渴望扮演孫悟空的大雄因表現欠佳僅獲村人甲角色，為證明自己最像齊天大圣，他擅自使用時光機穿越至唐朝尋找孫悟空。在與哆啦A夢（大山羨代配音）的賭約中，大雄以道具為籌碼證明自己與孫悟空相似度極高。隨后眾人穿越至唐朝卻未能遇見神話人物，無奈之下哆啦A夢借模擬游戲機制造虛擬西游世界，大雄假扮的孫悟空被識破后引發系統故障。失控的游戲妖怪實體化入侵現實世界，最終統治全球并囚禁玄奘法師（石森達幸配音）。為修正歷史、解救圣僧，大雄與靜香（野村道子配音）、小夫（肝付兼太配音）及胖虎（立壁和也配音）不得不穿上猴王戰甲，攜帶特制道具展開玄幻冒險。在穿越火焰山、對抗牛魔王（加藤精三配音）等經典場景后，眾人利用未來科技與智慧揭穿妖怪陰謀，成功恢復《西游記》原有歷史軌跡。故事改編自古典名著，融入時空穿越與科幻元素的雙重架構。