のび太は、自由研究の課題に悩んでいた。そんなとき、ドラえもんは「未来の紙飛行機キット」を出して、のび太に提案します。このキットは、未来の技術を駆使した紙飛行機を作ることができ、驚くほど遠くまで飛ぶという特徴があります。
のび太はドラえもんの提案に興味を持ち、早速キットで紙飛行機を作り始めます。完成した紙飛行機は、見た目こそ普通の紙飛行機と変わらないものの、飛ぶ速さや距離が全く異次元のものでした。その性能に感動したのび太は、さらに大きな紙飛行機を作ろうと決意します。
ドラえもんは、のび太の熱意に応えて、さらに大型の「未来の紙飛行機キット」を用意します。そのキットで作られる紙飛行機は、人が乗れるほどの大きさがあり、さらに驚異的な飛行距離を誇ることができました。
のび太とドラえもんは、大型の紙飛行機を完成させ、試しに飛ばしてみることにしました。すると、その紙飛行機は想像を遥かに超える速さで飛び立ち、のび太たちは地球の大気圏を突破し、宇宙へと飛び立ってしまいます。
宇宙を旅する紙飛行機に乗ったのび太とドラえもんは、月面に着陸し、宇宙の冒険を始めます。月面でのび太は、太古の月面文明の遺跡を発見し、その歴史や文化に興味を持ちます。また、宇宙空間でのび太は、宇宙船や宇宙人と出会い、友達を作ります。
しかし、地球に戻らなければならない時期が迫り、のび太とドラえもんは紙飛行機で地球に戻ることを決意します。しかし、その途中で紙飛行機が故障し、のび太とドラえもんはどうにか地球に戻る方法を見つけなければならなくなります。彼らは月面文明の遺跡で手がかりを探し始め、そこで未来の紙飛行機キットと同じ技術が使われた古代の月面船を見つけます。この船は、地球に戻るだけのエネルギーを持っていることがわかり、二人は船を修理して地球への帰路につきます。
無事に地球に帰還したのび太とドラえもんは、宇宙での冒険を振り返り、その体験が自由研究の課題にぴったりだと気づきます。のび太は宇宙での冒険と月面文明について学んだことをまとめ、自由研究の発表を行います。
発表を聞いたクラスメートたちは、驚きと感動でいっぱいになり、のび太の自由研究が大評判となります。これにより、のび太は自信を取り戻し、友達との関係も改善されることとなります。
