在空地上，小夫（肝付兼太 配音）得意地向大家展示当下最畅销的神秘列车车票，胖虎（立壁和也 配音）和静香（野村道子 配音）央求他带自己同行。大雄（小原乃梨子 配音）这时匆匆赶来，却发现哆啦A梦（大山信代 配音）已经整整三天没有回家，小夫和胖虎还在一旁幸灾乐祸。直到当晚，哆啦A梦终于回来，原来这三天他一直待在22世纪，只为购买银河列车的车票。
第二天晚上，银河列车在后山停靠，大雄和哆啦A梦就此踏上奇妙的银河旅程。车长（伊仓一恵 配音）始终面带笑容，待人十分礼貌。然而与此同时，一种神秘生命体降落在后山。这些来自宇宙的寄居物能够附着在人类身上，操纵他们的大脑，并企图摧毁整个地球。
列车行驶途中，车厢里接连发生各种不可思议的事情：大雄在车外看见了忍者，小夫声称自己看到了海盗，胖虎则看见了恐龙。哆啦A梦告诉大雄，他们似乎遭遇了一群被称为“神秘黑色影团”的存在。列车受到黑色影团袭击后，被迫停在一颗行星上，而真正的冒险也由此拉开序幕……
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