Ein Roboter-Katze namens Doraemon kommt aus dem 22. Jahrhundert, geschickt von Nobita Nobis Ur-urenkel Sewashi, um die elende Zukunft des Jungen zu ändern. In der ursprünglichen Zeitlinie führen Nobitas Faulheit, schlechte Noten und Pech zum finanziellen Ruin seiner Nachkommen, was Sewashi dazu veranlasst, einzugreifen, indem er Doraemon bei seinem Vorfahren zurücklässt.

Die Serie spielt in einer ruhigen, fiktiven Vorstadt des modernen Tokio, wo Nobita ein Viertklässler ist, der mit fast allem zu kämpfen hat. Er kommt häufig zu spät zur Schule, schreibt Nullen in Tests und ist das Hauptziel des örtlichen Tyrannen Takeshi "Gian" Gouda und des hinterhältigen, reichen Kindes Suneo Honekawa. Trotz dieser Schwierigkeiten ist Nobita gutherzig und fantasievoll und träumt oft von einem besseren Leben. Seine beste Freundin ist Shizuka Minamoto, ein kluges und sanftes Mädchen, das seine Hauptliebesinteresse ist.

Doraemon ist ein katzenförmiger Roboter, dem Ohren fehlen – sie wurden von einer Roboter-Maus abgebissen, was ihm eine lebenslange Phobie vor diesen Kreaturen verlieh. Aus seiner vierdimensionalen Tasche holt er futuristische Geräte, bekannt als "Geheimwerkzeuge", um Nobita zu helfen. Zu den ikonischen Geräten gehören die Überalltür, die sich zu jedem Ort öffnet; der Bambus-Hubschrauber, ein kleines Kopfstück, das Fliegen ermöglicht; und das Erinnerungsbrot, das Informationen auf eine Brotscheibe druckt, um sie zu essen und zu lernen.

Die Episoden folgen in der Regel einem wiederkehrenden Muster. Nobita kommt weinend nach Hause, weil er ein Problem mit Gian, Suneo oder seinen eigenen Misserfolgen hat. Doraemon bietet widerwillig ein Gerät an, um das Problem zu lösen, aber Nobita missbraucht es oft aus Gier oder Rache, was zu noch größerem Chaos führt. Die Geschichte endet typischerweise mit einer Moral über Verantwortung und die Grenzen der Abhängigkeit von Technologie. Diese Formel wird gelegentlich zu längeren, ernsteren Erzählbögen erweitert, insbesondere in den jährlichen Filmadaptionen. In diesen Filmen reist die Gruppe der Fünf in prähistorische Zeiten, Parallelwelten, außerirdische Planeten oder fantastische Reiche und verwandelt sich von alltäglichen Kindern in wahre Helden, die sich auf Mut und Freundschaft verlassen, nicht nur auf Geräte. Die Hauptbesetzung wird vervollständigt durch Hidetoshi Dekisugi, Nobitas talentierten und gutaussehenden Klassenkameraden, der ein Rivale um Shizukas Aufmerksamkeit ist. Durch seine Abenteuer mit Doraemon lernt Nobita langsam, seine Schwächen zu überwinden, was den Fokus der Serie auf Durchhaltevermögen, Empathie und die Bedeutung von Selbstständigkeit zeigt.