在一个宁静的日子里，大雄突然在房间里发现了一封奇怪的偷盗预告信，以为没什么大不了的，便没有在意。谁知，他刚离开一会，正在壁橱里睡午觉的哆啦A梦便被绰号为DX的神秘怪盗偷走了他最喜欢的铃铛。为了找回铃铛，哆啦A梦拿出了侦探道具——夏洛克·福尔摩斯套装和联想式推理放大镜来查找犯人。经过查找将目标锁定在未来世界的“秘密道具博物馆”。为了取回铃铛，大雄、哆啦A梦、静香、胖虎、小夫等好友在哆啦美的帮助下，结伴前往未来世界，来到了秘密道具博物馆。在这座收藏了各种各样秘密道具的梦幻博物馆内，遇上了馆长费吉斯和见习道具制造者库尔特，将事情告诉了他们，并从他们口中得知，博物馆也同样遭到了怪盗DX的偷窃。为了找出怪盗DX，大伙们便进入了博物馆一边游玩参观，一边寻找破案线索。由库尔特为小伙伴们担任向导。在这一过程中，大雄他们见识了各种各样神奇有趣的道具以及它们的由来。在参观途中，库尔特突然说要上厕所，便让众人自己参观，独自离开了。在游玩中胖虎和小夫无意中和众人走散误入了格列佛隧道变成了小人，误打误撞地进入了通风道，来到了费吉斯馆长的秘密办公室，发现馆长在搞什么秘密的事情。而哆啦A梦等人也误打误撞的来到了博物馆禁区，见到了世界上首个人造太阳机器，为之震惊不已。就在众人震惊之时，不小心触动了警报器，所幸费吉斯馆长及时赶到才制止了警报，并为众人解说了这一切的由来。事后，在费吉斯馆长的安排下，众人决定先在库尔特家过夜，明天再来调查。于是，众人来到了库尔特家，在那里认识了库尔特的小宠物——波波恩，一起度过了一个平静祥和的夜晚。第二天，众人决定再去博物馆调查之时，发现博物馆暂时停业了。因为他们收到了怪盗DX的盗窃预告信，担心大家的安危才被迫暂时关闭。为了抓住怪盗DX，夺回铃铛，众人便和前来逮捕怪盗DX的马士达德警官一起全副武装守在博物馆内，等候怪盗DX。时间一到，怪盗DX果然如时出现，实施了盗窃。为了抓住怪盗DX，众人使用各种道具布下天罗地网，对他实施了抓捕。可怪盗DX也毫不示弱，拿出了很多种应对手段，最终突破了众人的阻碍成功盗走了道具。抓捕失败后，众人便立刻在现场进行了清查，凭着联想式推理放大镜的能力，终于找到了线索，并发现了秘密通道。在密道中，凭着团结的力量和永不放弃的决心，终于突破了难关，潜入了秘密实验室，找到了怪盗DX。在激斗中，库尔特的位置跟踪仪不小心掉了下来被大雄捡到，通过跟踪仪上的资料，大雄终于揭开了怪盗DX的真面目。原来他就是库尔特，而先前一直跟他们在一起的库尔特竟是一个变身机器人变得。在身份被揭穿后，库尔特说出了整件事情的来龙去脉，原来他的祖父就是制造了初期型任意门并被世人誉为“秘密道具之父”的哈尔德曼博士。多年前，哈尔德曼博士的好搭档——皮普拉博士因为实验失误，造成了机器暴走，差点毁了地球。为此他被赶出秘密道具博物馆的小岛，他也因此坏名远播。他为了让世人对自己改观，也为了重振自己的名声，他打算研制出一种新的能源——皮普拉金属，以代替所剩不多的哈特曼博士研制出的全金属。而库尔特则偶然地发现了博物馆的秘密通道，并认识了皮普拉博士，从他那里学习制造秘密道具。就在多年前，皮普拉博士终于研制出了一台可以制造新能源的机器，却在研制时，遭到警察的阻碍而被迫中止。在被捕前，将启动机器的六个宝贵晶片藏到了六个秘密道具之中，所以才要库尔特帮他去偷道具的。而费吉斯馆长会做哪些奇怪的举动，只是为了找回自己的私房钱存折卡，并无恶意。