Film Doraemon: Great Adventure in the Antarctic Kachi Kochi diawali dengan peristiwa 100.000 tahun lalu ketika seorang gadis bernama Carla tanpa sengaja kehilangan cincin emas miliknya di wilayah bersalju.

Di masa kini, Doraemon mengajak Nobita dan teman-temannya mencari cara menghindari panasnya musim panas. Mereka akhirnya pergi ke sebuah gunung es raksasa yang mengapung di Samudra Selatan. Dengan alat rahasia bernama “Setrika Pengolah Es”, mereka membuat taman hiburan dari es. Namun saat bermain, Nobita menemukan sebuah cincin emas misterius yang tertanam di dalam es.

Penasaran dengan asal-usul cincin itu, Doraemon menelusuri usianya dan menemukan fakta mengejutkan: cincin tersebut berasal dari Antartika sekitar 100.000 tahun yang lalu. Karena Antartika sendiri baru ditemukan manusia pada tahun 1773, Doraemon dan teman-temannya memutuskan pergi ke sana menggunakan Pintu Ke Mana Saja untuk mencari pemilik cincin tersebut.

Di Antartika, mereka mencairkan makhluk mirip gajah biru yang membeku di dalam es bersama sebuah tas. Nobita menamainya Mosuke. Penemuan ini membawa mereka pada petualangan berbahaya hingga akhirnya mereka menemukan reruntuhan sebuah kota kuno yang terkubur di bawah lapisan es.

Demi mengungkap misterinya, Doraemon dan kawan-kawan melakukan perjalanan ke masa lalu. Di sana mereka bertemu Carla dan Profesor Hyakkoi yang ternyata berkaitan dengan cincin tersebut. Mereka juga bertemu Yuka-tan, gajah kuning milik Carla yang memiliki kemiripan dengan Mosuke.

Namun situasi berubah menjadi genting ketika peristiwa yang terjadi justru berpotensi menjerumuskan Bumi ke zaman es baru. Ketika semuanya mulai membeku, Nobita, Shizuka, Suneo, Gian, Carla, Mosuke, Doraemon, dan Yuka-tan mencoba melompat 100.000 tahun ke masa depan untuk menyelamatkan diri.

Sayangnya, Doraemon dan Yuka-tan terpisah dari rombongan, sementara baterai sabuk waktu mereka habis sehingga tidak bisa kembali ke masa lalu. Doraemon kemudian teringat ramalan Dorami tentang bintang keberuntungannya. Ia pun membekukan Yuka-tan bersama tas berisi alat dan baterai agar bisa dikirim ke masa depan.

Tas itu akhirnya sampai ke tangan Nobita yang juga membeku bersama Mosuke. Nobita pun menyadari bahwa Mosuke sebenarnya adalah Yuka-tan yang dibekukan oleh Doraemon di masa lalu. Dengan baterai tersebut, mereka kembali ke masa lalu, menyelamatkan Doraemon, sekaligus melawan raksasa es yang mengancam dunia.

Di akhir cerita, Doraemon dan teman-temannya harus berpisah dengan Carla serta Profesor yang akan meninggalkan Bumi. Setelah kembali ke rumah, Doraemon menunjukkan melalui teleskop bahwa planet tempat Carla berasal akhirnya kembali mencair dan pulih seperti semula. Film ditutup dengan momen sederhana ketika ibu Nobita memanggil mereka untuk makan malam.