Film animasi petualangan Doraemon the Movie: Nobita's Great Battle of the Mermaid King menghadirkan kisah seru Nobita dan teman-temannya saat terlibat konflik besar di kerajaan putri duyung.

Cerita bermula ketika Suneo memamerkan foto-foto liburannya saat menyelam di Palau kepada Gian dan Shizuka. Nobita yang penasaran ingin ikut melihat foto-foto lainnya di rumah Suneo, tetapi ia tidak diizinkan. Untuk menghiburnya, Doraemon menggunakan alat "Simulator Pompa Bawah Air" yang bisa menciptakan laut buatan, sehingga seolah-olah Tokyo berubah menjadi dunia bawah laut.

Malam harinya, Nobita dan Doraemon mencoba menyelam menggunakan alat khusus. Saat itulah Nobita melihat sosok yang ia yakini sebagai putri duyung. Mereka bahkan berhasil memotret bayangan tersebut. Tak lama kemudian, mereka menemukan seorang gadis misterius dengan ekor ikan bernama Sophia. Setelah menggunakan jeli penerjemah, Sophia memperkenalkan dirinya sebagai putri duyung.

Nobita dan Doraemon kemudian memperkenalkan Sophia kepada Shizuka, Gian, dan Suneo. Dengan bantuan alat Doraemon, mereka bisa bernapas di bawah air dan bahkan berubah menyerupai putri duyung. Sophia pun membawa mereka menuju kerajaannya di dasar laut, sekaligus menceritakan tentang pedang legendaris milik bangsa putri duyung yang memiliki kekuatan besar.

Namun perjalanan mereka tidak mudah. Mereka sempat diserang makhluk laut raksasa dan bahkan ditangkap oleh pasukan kerajaan putri duyung yang mengira mereka menculik Sophia. Setelah kesalahpahaman itu diluruskan, Sophia bertemu dengan neneknya, Ratu Undine, yang memberi tahu bahwa ia kelak akan menjadi ratu.

Masalah baru muncul ketika Shizuka diculik oleh suku manusia duyung saingan. Raja mereka menuntut pedang putri duyung sebagai tebusan. Doraemon mencoba menipu dengan pedang palsu, tetapi rencana itu gagal dan memicu perang besar antara dua kerajaan bawah laut.

Raja manusia duyung akhirnya berhasil merebut pedang asli dan menggunakannya untuk menciptakan tornado bawah laut yang menghancurkan segalanya. Dengan kecerdikan Nobita dan bantuan berbagai alat Doraemon, mereka berhasil mengalahkan raja tersebut dalam duel sengit.

Setelah pedang kembali ke tangan Sophia, ia menggunakan kekuatan pedang itu untuk memulihkan laut yang rusak. Ternyata kekuatan sebenarnya dari pedang putri duyung adalah menjaga keseimbangan lautan. Setelah semuanya selesai, Doraemon, Nobita, Gian, Suneo, dan Shizuka kembali ke rumah menggunakan mesin waktu.