Pada awalnya, teman-teman Nobita menertawakannya ketika dia mengatakan kepada mereka bahwa dia telah melihat bulan menguning dan melemparkan bayangan putih. Tetapi setelah Doraemon menggunakan "History Explorers Club Badge" padanya, mereka menemukan bahwa ada seorang gadis misterius yang tinggal di sisi terjauh bulan. Nobita, Doraemon dan teman-teman kemudian melakukan perjalanan eksplorasi bulan tetapi Diabolo dan bawahannya Goddard menghalangi mereka.

Selama perjalanan luar angkasa, empat ilmuwan berubah karena sinar kosmik: Reed Richards memperoleh kemampuan untuk meregangkan tubuhnya; Sue Storm dapat menjadi tidak terlihat; Johnny Storm mengendalikan api; dan Ben Grimm berubah menjadi makhluk super kuat. Bersama-sama, "Fantastic Four" ini sekarang harus menggagalkan rencana jahat Dr. Doom dan menyelamatkan dunia dari kehancuran.