Film animasi petualangan Doraemon: Nobita's Secret Gadget Museum menyuguhkan misteri seru saat lonceng kesayangan Doraemon tiba-tiba dicuri oleh sosok misterius dari masa depan.

Cerita bermula ketika sebuah tangan robot muncul dari lubang waktu dan meninggalkan "Kartu DX" di meja Nobita. Tanpa sengaja, kartu itu terbuang saat Nobita panik menyembunyikan nilai ujiannya yang jelek. Tak lama kemudian, tangan robot tersebut kembali dan mencuri lonceng Doraemon sebelum menghilang ke masa depan. Doraemon pun panik karena lonceng itu bukan sekadar aksesori, melainkan sumber identitas dan kenangannya.

Karena tak bisa mendapatkan lonceng pengganti dari pabrik abad ke-22, Nobita mencoba menyelidiki kasus ini dengan gaya detektif ala Sherlock Holmes menggunakan alat dari Doraemon. Dari petunjuk yang ada, mereka menyimpulkan pelakunya adalah Kaito DX, pencuri legendaris alat canggih dari abad ke-22.

Doraemon dan Nobita pun pergi ke Museum Gadget di abad ke- 22 bersama teman-temannya. Di sana, mereka bertemu pemandu wisata bernama Kurt. Sementara itu, terungkap bahwa Dr. Pepura Hasake, mantan ilmuwan museum diam-diam tinggal di ruangan rahasia setelah dipecat karena eksperimennya, "matahari surya", sempat hampir menghancurkan dunia.

Keadaan makin kacau saat Kaito DX mencuri beberapa alat penting museum. Ternyata, Kaito DX tak lain adalah Kurt sendiri, yang mengincar chip rahasia ciptaan Pepura untuk mengubah logam menjadi benda lain. Pepura berhasil mengambil kembali chip tersebut dan mencoba menjalankan proses transmutasi, tetapi eksperimennya kembali gagal dan mengancam stabilitas matahari surya.

Dalam pertempuran melawan sistem pelindung museum, Doraemon tanpa sengaja berubah menjadi "Kaitou Dora DX" berkat alat transformasi, memberinya kekuatan luar biasa. Meski berhasil mengalahkan pelindung, sistem utama justru rusak. Di saat genting, Nobita mendapat ide cemerlang memerintahkan robot Poppo menyedot matahari surya dengan vakum super hingga ancaman berhasil diatasi.

Akhirnya, museum terselamatkan, dan lonceng Doraemon berhasil diperbaiki. Kurt pun menyadari bahwa lonceng itu menyimpan kenangan persahabatan berharga antara Doraemon dan Nobita sesuatu yang tak ternilai oleh teknologi apa pun.