Muốn tìm cho ra Tôn Ngộ Không, Nobita và các bạn đã quay trở về quá khứ tại Trung Quốc năm 630. Ở đó, họ chỉ gặp được Đường Tam Tạng còn Tôn Ngộ Không chỉ là nhân vật hư cấu. Để lấy danh dự với các bạn, Nobita đã nhờ Doraemon cải trang cậu thành nhân vật Tôn Ngộ Không ảo trong Cỗ máy trò chơi người hùng, nhưng kế hoạch bị bại lộ. Jaian, Suneo và Shizuka trở về và được tự do sử dụng cỗ máy người hùng. Sáng hôm sau, khi Nobita đến trường, cậu nhận ra rằng chỉ có Jaian, Suneo, Shizuka và mình không thay đổi, còn các bạn trong lớp kể cả thầy giáo đều biến thành yêu quái. Khi về nhà, Nobita biết rằng Doraemon đã quên không đóng nắp cỗ máy người hùng, hậu quả là các yêu quái trong đó đã trốn ra và gây náo loạn thế giới thực. Nhóm bạn Doraemon phải biến thành các nhân vật trong Tây du kí và trở về thời nhà Đường để đánh đuổi yêu quái.

Khi vừa đến nơi họ lại gặp Đường Tăng và cậu bé Lâm Linh đang bị hai tên yêu quái là Kim Giác và Ngân Giác đuổi bắt. Doraemon nhanh chóng thu phục được Kim Giác, còn Ngân Giác chạy thoát. Nhóm bạn chia tay Đường Tăng. Sau khi qua đêm trên sa mạc, sáng hôm sau Nobita đi thám tính khu vực xung quanh và tìm được Hoả Diệm Sơn - nơi trú ngụ của bọn yêu quái - nhưng cậu bị La Sát Bà Bà dùng quạt Ba Tiêu thổi bay đi và tình cơ rơi xuống trước mặt Linh Lâm. Nobita mới biết rằng sư phụ Đường Tăng bị bọn yêu quái bắt đi lần nữa.

Trong khi đó, Doraemon, Jaian, Suneo đã thu phục được Ngân Giác nhưng Shizuka thì bị yêu quái bắt đi (do nhầm lẫn với Đường Tăng). Nhóm bạn gặp lại nhau và tiến về Hoả Diệm Sơn, nhưng khi vừa qua khỏi bức màn lửa giả thì ngay lập tức họ sập bẫy của La Sát Bà Bà và bị bắt. Lúc đó họ mới biết Lâm Linh chính là gián điệp của lũ yêu quái. May mắn thay khi Doraemon chuẩn bị bị Ngưu Ma Vương ăn thịt thì Doraemi xuất hiện, giải cứu cho ông anh và các bạn. Một trận chiến ác liệt diễn ra, Nobita hoá lớn gậy như ý giáng cho Ngưu Ma Vương một đòn chí mạng. Các yêu quái lần lượt tan rã và mất hết phép thuật, La Sát Bà Bà bị rơi xuống biển lửa. Nhóm bạn nhanh chóng thoát ra ngay khi ngọn núi chuẩn bị nổ tung. Lâm Linh cải tà qui chánh theo hầu Đường Tăng đến Thiên Trúc thỉnh kinh. Khi nhóm bạn trở về thế giới thực và mọi người đều thoát khỏi nạn yêu quái cũng là lúc hết truyện.