自分が住んでいる町の歴史を調べる宿題を出されたのび太は、ドラえもんに泣きつき、時間をさかのぼりながら写真を撮って送ってくれる『タイムカメラ』を出してもらう。 さっそく町全体がよく見える場所で、撮影をはじめるが、637年前の写真を最後に、タイムカメラが消えてしまった！ しかも、最後に送られてきた写真には、桃太郎らしき一行の姿が写っていた。桃太郎はおとぎばなしのはずなのに…と、ドラえもんとのび太はビックリ！ みんなにも知らせようと空き地に行くと、オランダから桃太郎を探しにやって来たという外国人男性が、助けを求めていた。しかも、彼が持っている写真のような絵には、タイムカメラで写した637年前の写真とそっくりな、桃太郎の姿が写っていた…！ ２枚の写真のナゾを解くため、ドラえもん、のび太、しずか、ジャイアン、スネ夫の５人は『タイムマシン』に乗り込み、637年前の日本へと向かうが…！？