又是一年暑假到来，胖虎（木村昴 配音）和小夫（关智一 配音）怂恿大雄（大原惠 配音），让他拜托哆啦A梦（水田山葵 配音）去寻找尚未被人类开发的秘境。在此期间，一条脏兮兮的小狗不请自来，它成功帮妈妈找到丢失的包，于是成了野比家的宠物，并得名扁扁。扁扁操纵卫星照相机拍到了神秘石像的照片，以此为契机，大雄、哆啦A梦、胖虎、小夫以及静香（嘉数由美 配音）组成了一支少年非洲密境探险队。他们一路上历经千辛万苦，更险些丢掉性命。而当离巨神像越来越近时，小伙伴们出乎意料发现了扁扁以及一个神秘王国的秘密。原本快乐的探险变成一场凶险的战争，他们能否拯救那个国家吗？ 本片根据藤子•F•不二雄同名大长篇漫画改编。
在未来世界，由于痛失爱子，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音）创造出了机械人阿童木（弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此来作为儿子的替身，寻找安慰。虽然，阿童木拥有博士儿子的情感和记忆，而且先进的程序还在不断完善其情绪，并让他富有同情心。可是，博士始终无法接受失子之痛，对阿童木也不能正确对待，并认为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿，而且还备受军方的四处通缉，并最终被抓住。军方要求天马博士拿掉阿童木的能源，让它变成军方机器人的能源配备。在最后时刻，天马博士突然醒悟，并协助阿童木逃走。面对军方的围追堵截，阿童木奋起反抗，最终一场惊世大战一触即发。在不断的旅行过程中，阿童木也逐渐成长，他也接受了自己这机械与人类结合的设计，并肩负起全人类生死存亡的重任。
洗心革面之后，格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）作为特工成绩斐然，却因未能打败坏小子巴萨扎·布莱德（崔·帕克Trey Parker 配音）而被新局长扫地出门。就在此时，他收到一封远方来信，这才得知自己原来还有一个双胞胎兄弟德鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）。在德鲁盛情邀请下，格鲁带着妻子露西•王尔德（克里斯汀·韦格 Kristen Wiig 配音）以及玛戈（米兰达·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪丝（达娜·盖伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾丝（埃尔希·费舍 Elsie Fisher 配音）来到了他亲生父亲所居住的地方探亲。德鲁天真烂漫，却一心想和哥哥搭档成为坏蛋二人组。格鲁虽然暂时回归狂野，可正义之心并未泯灭。
