在空地上，小夫向大家炫耀神秘火車的車票時，大雄因哆啦A夢連續三日失蹤而焦急萬分。當哆啦A夢帶著22世紀的銀河列車票歸來，眾人于后山登上這列穿越星際的神秘交通工具。車長以永遠微笑的姿態引導乘客，但列車內接連出現忍者、海盜與恐龍的詭異幻影——這些正是哆啦A夢察覺到的"神秘黑色影團"制造的異常現象。與此同時，宇宙寄居物已附身人類操控大腦，企圖通過劫持銀河列車實現毀滅地球的陰謀。當黑色影團發動襲擊迫使列車迫降在荒蕪行星時，大雄與伙伴們發現所謂"幻影"實為寄居物實體化投影。通過列車搭載的星際能量核心與四次元道具的配合，眾人最終摧毀寄居物控制中樞，在宇宙尺度上化解了這場文明危機。返回地球的列車依舊穿越著璀璨星河，而車窗外依稀可見那片被拯救的銀河系。