骨川小夫拿出现在畅销的神秘火车的车票炫耀。刚田武，源静香也想乘火车，恳求小夫也带他去。这时，大雄跑来，说哆啦A梦3天也没有回家。小夫和胖虎幸灾乐祸的笑着，大雄只顾找哆啦A梦，到家人吃完晚饭后才回家。哆啦A梦回来后，说他到了22世纪买银河列车的车票。一天以后，大雄与哆啦A梦在后山搭乘银河快车。哆啦A梦他们乘搭银河列车到银河各个星群游览，另一边，神秘的生命体就此诞生。神秘的生命体是来自宇宙的寄居物,寄居物可以将自己的身体附在人类的身体上,来操纵一个人的大脑,寄居物的目的是将整个地球毁灭掉。
在跑去观赏车厢的过程当中，大雄在车厢外看到了一个忍者。哆啦A梦再次看时却不见了。两人去观赏车厢看了景象后，回了房间。大雄在卫生间的镜子上发现了一个怪人。当他把哆啦A梦拖进卫生间时，怪人却消失不见了。第二天，大雄跟胖虎他们描述了银河列车的一切。晚上，大雄和伙伴们登上了银河快车进行了一趟奇妙的宇宙旅行。当大雄进入会议室时，有一个西部牛仔模样的人用手枪朝他射击。大雄忙找胖虎帮手。这时与前两次一样，西部牛仔消失了。大雄与静香去了观光车厢。由于觉得无聊，大雄先行回了房间。小夫说看见了海盗，胖虎则看见了恐龙。这一切有些不寻常。哆啦A梦告诉大雄他们出现了一伙“神秘黑色影团”。遭到黑色影团的袭击后，列车在一颗行星上停下了。
他们到达了目的地：梦幻乐园。原来，刚才的强盗团其实是梦幻乐园所安排的《列车强盗秀》。这是，寄居物向行星发出了间谍卫星。大雄和哆啦A梦乘小飞机去西部星球，胖虎和小夫去忍者星球。


在射击大会上，拥有射击天赋的大雄成为了保安官候选人。随后又以一敌四战胜了强盗团伙，成为正义的保安官。另一边，胖虎和小夫在忍者星球可不太好受。他们在夺取秘术之时被关在笼子里。静香去了童话星球参加白雪公主的演出。三个22世纪的孩子在去恐龙星球时，阿斯通被寄居物控制住了。它将另外两个孩子放在一颗小行星上。寄居物派出大量的寄居卫星企图控制住整个星球。大雄一行人此时正在恐龙星球游玩。突然，所有恐龙机器人都不受控制。哆啦A梦他们只好逃离恐龙星球，到中央星球寻求帮助。
他们发现中央星球着火了，大家决定分头调查原因。查找之时，小夫被镜中人抓走了。胖虎通知了哆啦A梦。小夫突然联络胖虎，叫他们去一个隐蔽的地方躲藏。此时，小夫已被寄居体控制。列车长和鲍姆赶来救了被困在车厢里的他们。由于燃料被放光了，列车被迫停在禁入之星。在众人用餐时，胖虎独自去寻找车头。静香把她在浴室里发现的小飞碟拿给鲍姆研究，发现可以用肥皂喷枪作为武器。胖虎在洞里遇见了那两个22世纪的未来人。未来人带他到车头的所在地。正当他苦于无路可出时，他摸到口袋里的忍者卷轴。利用卷轴，他们顺利逃出矿洞。
列车再次启动。寄居物用海盗船将列车击落在一个小行星上。大雄等人与寄居物展开一场恶战。最终，大雄击中寄居物首领，取得胜利。