Pada abad ke-13, di sebuah kastil batu megah di pulau tengah danau, Putri Claire berpose untuk sahabat kecilnya, Milo, yang sedang melukis. Namun rasa bosan membuat Claire nekat masuk ke hutan hilang dan tiba-tiba tersedot ke dalam lubang ruang-waktu misterius.

Di masa kini, Nobita dan kawan-kawan menggunakan alat rahasia "Cahaya Masuk" untuk masuk ke dunia lukisan demi mencari inspirasi tugas menggambar. Saat Nobita frustasi dan melempar penghapus, sebuah lubang ruang-waktu muncul dan menjatuhkan lukisan bergambar gadis serta kelelawar unik. Penasaran, Nobita dan Doraemon masuk ke dalam lukisan itu tanpa sadar membuka petualangan besar.

Claire justru keluar ke Tokyo modern dan bikin panik ibu Nobita karena masuk rumah pakai sepatu. Saat berita TV menayangkan lukisan danau dengan warna biru misterius yang tak bisa direplikasi (konon nilainya bisa melebihi berlian), Claire menyadari itu adalah kampung halamannya, Arturia.

Mereka kembali ke dunia lukisan dan menemukan bahwa Arturia benar-benar ada di Eropa abad pertengahan. Danau di sana memiliki warna langka bernama "Arturia Blue". Claire akhirnya bertemu Milo lagi, tapi empat tahun sudah berlalu sejak ia menghilang, sementara Claire tidak bertambah usia sedikit pun.

Ramalan lama menyebut hilangnya Claire adalah kutukan iblis naga merah bernama Esael. Ketika pencuri lukisan misterius muncul, situasi makin kacau. Terungkap bahwa pelayan istana, Sodoro, ternyata penjelajah waktu yang ingin menyelamatkan lukisan-lukisan sebelum Arturia musnah akibat letusan gunung berapi.

Namun keadaan memburuk saat Esael benar-benar dibebaskan dari lukisan dan mengubah banyak orang menjadi batu. Doraemon dan kawan-kawan melawan pasukan iblis yang ternyata terbuat dari minyak dan bisa dikalahkan dengan air.

Pertarungan klimaks terjadi saat Doraemon membelah danau dengan Tongkat Musa, sementara Nobita memakai keberanian dan kreativitasnya. Ia masuk ke dalam gambar Doraemon yang ia buat sendiri untuk mengambil alat rahasia "penabur pengolah air". Dengan ketapel buatan Milo, Nobita menembakkan alat itu dan mengembalikan semuanya menjadi air, membuat Esael larut dan dunia kembali berwarna.

Namun konsekuensinya menyedihkan. Claire yang bersama mereka ternyata hanya lukisan yang hidup karena Cahaya Masuk. Ia pun menghilang. Untungnya, Patroli Waktu menemukan Claire asli di celah ruang-waktu. Kini berusia 10 tahun, Claire hanya mengingat semuanya seperti mimpi masa kecil.

Di akhir cerita, lukisan baru ditemukan, menampilkan Claire, Chai, dan juga Nobita serta teman-temannya. Bahkan coretan Doraemon karya Nobita dari abad pertengahan dianggap sebagai "grafiti kuno". Meski dikritik tak bernilai, ayah Nobita justru memuji lukisan itu karena dibuat dengan hati. Nobita pun kembali bersemangat menggambar.