真夏の暑さに耐えかねたのび太たちが向かったのは、巨大な氷山。ひみつ道具「氷細工ごて」で遊園地を作っていたのび太たちは、氷漬けになっている不思議な腕輪を見つける。調べてみたところ、なんと腕輪が氷に埋まったのは、人が住んでいるはずもない10万年前の南極だった！腕輪の落とし主を探して南極へと向かうドラえもんたち。その前に、なんと氷の下に閉ざされた巨大な都市遺跡が姿を現す。「10万年前に行って、落とし物を届けよう！」
ひみつ道具「タイムベルト」で10万年前に向かうドラえもんたち。
そこで、凍りついてしまった自分たちの星を救うため、宇宙を旅し、腕輪の謎を追う少女カーラとヒャッコイ博士に出会う。そして、腕輪を巡り、ドラえもんたちは、地球が凍結する危機に直面する！