Bộ truyện kể về một chú mèo máy tên Doraemon đến từ thế kỉ 22 để giúp một cậu bé lớp 5 hậu đậu tên là Nobi Nobita. Sewashi (Nobito), cháu ba đời của Nobita gửi Doraemon về quá khứ nhằm giúp đỡ ông mình, qua đó cải thiện được hoàn cảnh của con cháu Nobita sau này. Các tập phim Doraemon thường xoay quanh những rắc rối hay xảy ra với cậu bé Nobita. Cốt truyện thường gặp nhất là Nobita trở về nhà khóc lóc với Doraemon vì những rắc rối mà cậu gặp phải ở trường học hoặc với bạn bè. Sau khi bị cậu van nài hoặc thúc giục, Doraemon sẽ lấy ra một bảo bối trong chiếc túi thần kỳ trước bụng để giúp Nobita giải quyết rắc rối của mình.