Ein Roboter-Katze namens Doraemon kommt aus dem 22. Jahrhundert, von einem Jungen namens Sewashi Nobi in die Vergangenheit geschickt. Sewashi ist der Nachfahre eines unglücklichen Viertklässlers namens Nobita Nobi, und in der ursprünglichen Zeitlinie stürzten Nobitas lebenslange Missgeschicke – schlechte Noten, Mobbing und spätere geschäftliche Misserfolge – seine Familienlinie in Armut. Sewashi konnte sich mit seinem bescheidenen Taschengeld nur einen fabrikaussortierten Roboter leisten: einen blauen, ohrlosen, katzenförmigen Betreuer namens Doraemon.

Die Serie spielt in einem ruhigen Vorort des modernen Tokio, hauptsächlich in Nobitas Zuhause, wo Doraemon im Schrank schläft und eine Zeitmaschine in der Schreibtischschublade des Jungen betreibt. Der zentrale Konflikt ergibt sich aus Nobitas grundlegender Natur: Er ist faul, tollpatschig, willensschwach und akademisch hoffnungslos, aber dennoch gutherzig und mit überraschenden Talenten für Schießkunst und Fadenspiele. Doraemon besitzt an seinem Bauch eine vierte-dimensionale Tasche, aus der er eine endlose Vielfalt futuristischer Gadgets – sogenannte Geheimwerkzeuge – hervorbringt, von der Überalltür und Bambus-Hubschraubern für den Flug bis hin zu Gedächtnisbrot, das Lerninhalte auf Brot druckt, das gegessen werden kann. Doraemons Mission ist es, Nobita zu einer besseren Zukunft zu führen, aber seine Aufgabe wird durch seine eigenen Fehler erschwert: eine gefräßige Liebe für Dorayaki-Pfannkuchen, eine lähmende Angst vor Mäusen und eine Tendenz, genauso faul zu sein wie sein Schützling.

Nobitas Welt wird von einer eng verbundenen Gruppe von Klassenkameraden bevölkert, die die sozialen Dynamiken der Geschichte vorantreiben. Shizuka Minamoto ist das intelligente, freundliche und sanfte Mädchen, das Nobitas Schwarm und zukünftige Ehefrau ist. Takeshi Gouda, mit dem Spitznamen Gian, ist der örtliche Tyrann mit einem kräftigen Körperbau und einer noch kraftvolleren, schrecklichen Singstimme, obwohl er ein verborgenes Gefühl für Loyalität und Gerechtigkeit besitzt. Suneo Honekawa ist der wohlhabende, fuchsgesichtige Speichellecker, der seinen Besitz zur Schau stellt und sich oft mit Gian verbündet, um Nobita zu ärgern.

Die Erzählung ist größtenteils episodisch und folgt einem konsistenten Muster. Nobita kommt weinend von der Schule zurück, nachdem er von Gian und Suneo gemobbt wurde, einen Test nicht bestanden hat oder von seiner strengen Mutter Tamako gescholten wurde. Er fleht Doraemon um Hilfe an, und der Roboter produziert widerwillig ein Gadget. Nobita nutzt das Gerät zunächst, um sein unmittelbares Problem zu lösen oder Rache zu nehmen, aber er missbraucht es unweigerlich aufgrund von Gier oder Nachlässigkeit, wodurch die Situation in Chaos eskaliert. Am Ende der Episode schlägt das Gadget fehl und lehrt Nobita eine moralische Lektion über Selbstständigkeit und die Konsequenzen von Abkürzungen. Trotz seiner Fehler zeigt Nobita bei längeren Abenteuern oft echten Mut und Einfühlungsvermögen und beweist so seinen Wert als Protagonist.

Bemerkenswerte Erzählbögen erstrecken sich über das episodische Format hinaus zu längeren, theaterlängen Abenteuern, die häufig zu Spielfilmen adaptiert werden. In diesen Bögen nutzen Doraemon und die gesamte Bande die Zeitmaschine und andere Gadgets, um in ferne Welten, prähistorische Zeitalter und fantastische Dimensionen zu reisen. Klassische Handlungsstränge beinhalten, dass Nobita heimlich ein versteinertes Dinosaurierei ausbrütet und die junge Kreatur aufzieht, nur um gezwungen zu sein, sie in die Kreidezeit zurückzubringen, während er sie vor zeitreisenden Jägern schützt. Ein weiterer großer Bogen beinhaltet, dass die Gruppe mit einem Gadget, das den Raum erweitert, eine unterirdische Welt erschafft, nur um eine verborgene Zivilisation von Höhlenmenschen zu entdecken. Ein wiederkehrender Handlungsstrang folgt Nobita und seinen Freunden, die in den amerikanischen Westen, die Unterwelt und verschiedene Alienplaneten reisen und Doraemons Werkzeuge nutzen, um Tyrannen und Naturkatastrophen zu überwinden. Ein bemerkenswerter längerer Bogen beinhaltet, dass Nobita einen streunenden Hund findet, der sich als der Prinz einer verborgenen Hundezivilisation im afrikanischen Dschungel herausstellt. Diese Bögen verlagern den Fokus von alltäglichen Schulproblemen zu epischen Rettungsaktionen und Umweltschutz, betonen Teamarbeit und Opferbereitschaft und verlassen sich dennoch auf Doraemons erfinderisches Werkzeugset.