ダンボールを組み合わせて、庭で“宇宙ステーションごっこ”をしていたのび太は、本格的な宇宙ステーションの模型や天体望遠鏡を持っているスネ夫からバカにされてしまう。

くやしくてたまらないのび太は、ダンボール製の宇宙ステーションで、本当に宇宙に行きたいとドラえもんにたのみこむ。それを聞いたドラえもんが取り出したのは、『宇宙ステーション実験キット』。未来の子どもたちが宇宙について勉強するための実験キットなのだが、宇宙ステーションを作って実際に打ち上げることもできるのだという。

さっそく実験キットから出力された図面のとおりに、ダンボールを使って宇宙ステーションを作りはじめたのび太とドラえもん。もらって来た大量のダンボールをはり合わせた後、宇宙空間でも空気がもれにくくなり、太陽の熱にもたえられるようになる『強化ペンキ』をぬって仕上げ、苦労の末にようやく完成させる。

次の日の朝、宇宙ステーションを打ち上げたのび太たち。円軌道に乗り、打ち上げ成功を確認した二人は大よろこび！ 宇宙ステーションの内部は、のび太の家の庭に設置した四次元ハッチとつながっており、二人がさっそく宇宙へと足をふみ入れようとしたその時、ジャイアンとスネ夫がその道具を使わせろとやってきて…！？