Film animasi Doraemon: Nobita's Chronicle of the Moon Exploration menghadirkan petualangan seru Nobita dan kawan-kawan yang membawa mereka menyingkap rahasia besar di balik Bulan.

Kisah bermula ketika Nobita yakin ada kehidupan di Bulan, tetapi teman-temannya tak percaya. Dengan bantuan Doraemon dan alat "Lencana Pandangan Divergen", mereka menciptakan atmosfer di Bulan serta makhluk kelinci bernama Moonbit. Tak lama kemudian, Nobita bertemu murid baru misterius bernama Luca, yang ternyata sosok anak laki-laki yang sebelumnya ia lihat di malam Festival Melihat Bulan.

Petualangan membawa mereka ke "Kerajaan Kelinci" di Bulan. Di sana, Nobita dan teman-temannya Shizuka, Gian, dan Suneo mengetahui bahwa Luca sebenarnya adalah Espal, makhluk dari planet Kaguya yang memiliki kekuatan khusus bernama Ether. Espal hidup bersembunyi karena planet mereka pernah dihancurkan sebagian oleh Diabolo, sosok jahat yang menyalahgunakan kekuatan Ether.

Masalah memuncak saat pasukan Kaguya menyerang dan menculik para Espal. Luca pun ikut tertangkap. Nobita dan kawan-kawan nekat pergi ke planet Kaguya untuk menyelamatkan mereka. Di sana terungkap bahwa Diabolo adalah robot yang ingin memanfaatkan Ether demi ambisinya, bahkan berencana menyerang Bumi.

Pertarungan sengit pun terjadi. Dengan kerja sama, kecerdikan Doraemon, serta keberanian Nobita, mereka berhasil menggagalkan rencana Diabolo. Cahaya planet Kaguya yang sempat padam akhirnya pulih berkat bola biru misterius yang bereaksi dengan Ether.

Di akhir cerita, Luca memilih agar keberadaan Espal tetap menjadi rahasia demi kedamaian. Nobita dan teman-temannya pun kembali ke Bumi, mengubur lencana mereka agar dunia Espal tetap aman. Sebuah petualangan luar angkasa yang tak hanya seru, tapi juga mengajarkan arti persahabatan dan pengorbanan.