夏休みの宿題に、しずかちゃんたちと海の研究をすることになったのび太。しかし、彼は「宝島」の本に夢中になるばかりで、ちっとも研究は進まない。それどころか、ドラえもんに本物の宝島に冒険がしたいと言い出したのである。いつもののび太のわがままに、仕方なく宝探しのセットを出してやるドラえもん。ふたりは、しずかちゃんたちを誘ってミニ帆船に乗り込むと、宝島へと出発するのであった。ドラえもんの出す様々なアトラクションで、即席の冒険を楽しむのび太たち。ところが、そんな彼らの目の前に本物の海賊船が出現したのである。しかも、その衝撃で船は破壊、ドラえもんは四次元ポケットをなくし、のび太が海に流されてしまった。海賊船に助けられたドラえもんたちは、自分たちが17世紀の世界へタイムワープしてしまったことを知る。しかし、四次元ポケットがなくなった今、元の世界に戻ることも、のび太を探すことも出来ない。彼らは仕方なく、南海の孤島・トモス島で行方不明になっているキッド船長の親友で、乗組員の少女・ベティの父・コルト船長と弟のジャックを探す旅に同行することになる。その頃、のび太はピンク色のイルカ、ルフィンに助けられ、トモス島に漂着していた。ジャックと知り合い、仲良くなるのび太。ある日、ドラえもんたちが乗った海賊船が島に着いていることを知った彼は、ドラえもんたちを追って島の奥地へ進んでいく。不思議な生物や植物が生息するトモス島。ところが、そこは犯罪者キャッシュが支配する改造生物製造工場だったのである。キャッシュは、ドクタークロンの開発した技術で、生き物たちを生物兵器に改造。未来の世界でそれらを売りさばこうとしていた。キャッシュのアジトでドラえもんたちに再会したのび太は、キャッシュの悪巧みを阻止すべく、海賊たちと力を合わせて工場を破壊。実はタイムパトロールの一員であったルフィンの報告でやってきたタイムパトロールにキャッシュを引き渡すと、無事元の世界へ戻っていくのであった。