เปิดเรื่อง จอมโจรลูแปงจะมารับของสำคัญของหอศิลป์เวลาเที่ยงคืน โดยปลอมตัวเป็นผู้อำนวยการหอศิลป์ เมื่อถึงเวลาแล้วเขาได้ทำให้โคมไฟระย้าร่วงลงมาที่พื้นและขโมยของชิ้นสำคัญไป แต่ “เชอร์ล็อก โนบิตะ” อยู่ข้างบน และจะตามจอมโจรลูแปงไปแต่ล้มลงมาซะก่อน ทั้งหมดเป็นความฝันของโนบิตะในห้องเรียน เพื่อน ๆ นึกขึ้นได้ว่าเมื่อวานมีภาพยนตร์เชอร์ล็อก โฮล์มส์ ฉายทางทีวี และโนบิตะอยากเป็นแบบนั้นบ้าง
แต่ไจแอนท์และซึเนะโอะไม่เชื่อใจและล้อเลียน ที่บ้าน โดราเอมอนเข้าไปนอนหลังจากกินโดรายากิเสร็จ ต่อมาโนบิตะกลับมาบ้านและพบบัตรปริศนาที่เขียนด้วยตัวอักษร D และ X จากนั้นมีมือปริศนามาดึงกระพรวนของโดราเอมอนไป และมารู้ตัวทีหลังว่ากระพรวนถูกขโมยไปแล้ว
กระพรวนของโดราเอมอนเป็นของที่สำคัญมากและเป็นของในความทรงจำในความหลัง ไม่สามารถทดแทนด้วยของใหม่ได้ แม้กระพรวนจะเสียก็ต้องซ่อม แม้ว่าจะใช้ของอื่น ๆ มาทดแทนก็ไม่สามารถแทนได้ และถ้าไม่มีกระพรวนก็จะทำท่าเหมือนแมว และแน่นอน โนบิตะต้องการเป็นนักสืบอย่าง เชอร์ล็อก โฮล์มส์ เลยขอของวิเศษที่ทำให้เป็นอย่างนั้น โดราเอมอนจึงเอา ชุดเชอร์ล็อกโฮล์มส์ มาให้ใส่
แต่อุปกรณ์บางอย่างภายในชุดมันพังแล้ว ยกเว้นหมวกที่ทำให้สมองใสขึ้นมาทันที เมื่อดีดหมวกแล้วก็สามารถรู้คำตอบว่าผู้ขโมยเป็น จอมโจร DX (ดีลักซ์) แต่ไม่รู้ว่าเป็นใคร และแว่นขยายหาเบาะแสบอกว่ากระพรวนอยู่ที่พิพิธภัณฑ์ของวิเศษ ซึ่งโดราเอมอนรู้ว่าโดรามีมีตั๋วไปพิพิธภัณฑ์ โดรามีเสนอว่าให้ซื้ออันใหม่ แต่โดราเอมอนไม่เอา โดรามีจึงให้เลมอนไปติดแทนกระพรวนก่อน และต้องแลกขนมปังเมลอน 20 ชิ้นเพื่อตั๋วไปพิพิธภัณฑ์ จากนั้นโนบิตะไปชวนเพื่อน ๆ ไปพิพิธภัณฑ์ เพื่อไปหากระพรวนด้วย โดยเมื่อโดราเอมอนลงทะเบียนโดยการเขียนชื่อบนตั๋วแล้ว ตั๋วได้แปลงสภาพเป็นไทม์แมชชีนสำหรับไปพิพิธภัณฑ์ของวิเศษโดยเฉพาะ
โดยสามารถไปได้ 5 คน ระหว่างที่ไม่มีกระพรวนโดราเอมอนทำท่าเหมือนแมวเพราะกระพรวนมีเอาไว้ปรับพฤติกรรมไม่ให้เป็นเหมือนแมวจรจัดนั่นเอง
ไทม์แมชชีนพามายังโลกศตวรรษที่ 22 โดยพิพิธภัณฑ์ของวิเศษอยู๋บนเกาะที่อยู่ในทะเล โดยรอบ ๆ เป็นบ้านพักของผู้วิจัยของวิเศษ ส่วนพิพิธภัณฑ์อยู่ตรงกลางเกาะ เมื่อมาถึงพิพิธภัณฑ์แล้วไทม์แมชชีนก็แปรสภาพกลายเป็นตั๋วเมือนเดิม ขณะนั้นเอง เคิร์ธ ไกด์นำเที่ยวพิพิธภัณฑ์ของวิเศษ พบผู้อำนวยการไฟคัส เพื่อมาเสนอของวิเศษชิ้นใหม่ (มาจากการอู้งานไกด์นั่นเอง) กุ๊กกรู ที่เมื่อพูดว่า “จงบิน” จะสามารถบินได้
แต่ไม่สามารถทรงตัวได้ เมื่อผู้อำนวยการเห็นตั๋วบนมือของโดราเอมอนแล้วก็กล่าวต้อนรับ และให้เคิร์ธนำเที่ยวพิพิธภัณฑ์ ผู้อำนวยการปรามาสเคิร์ธว่าของวิเศษของเขาไม่สามารถจัดแสดงที่พิพิธภัณฑ์ได้แน่นอน ต่อมาโดราเอมอนบอกวัตถุประสงค์ว่าที่มาเพราะกระพรวนถูกขโมยโดยจอมโจร DX (ดีลักซ์) ซึ่งวันก่อนหน้าได้มาขโมยไฟฉายขยายส่วนเช่นกัน