Di sebuah malam yang indah dengan sinar bulan yang terang, Doraemon tidak bisa tidur karena suara mengigau dan dengkuran Nobita. Saat ia pergi jalan-jalan santai di malam hari, ia melihat seekor kucing putih bernama Luna yang sedang bernyanyi menghadap bulan purnama di atas atap rumah tetangga. Doraemon pun terpesona dengan suara nyanyiannya yang luar biasa.
Keesokan malamnya, didorong oleh keinginan untuk bertemu kembali, Doraemon mencari Luna bersama Nobita. Ia bukan hanya berhasil menemui Luna, tetapi juga sangat gembira karena bisa berteman dengannya. Doraemon pun benar-benar jatuh cinta kepada Luna.
Namun, Nobita mengetahui sebuah fakta bahwa Luna akan segera pergi ke luar negeri. Nobita merasa tidak sanggup menceritakan hal itu kepada Doraemon yang sedang jatuh cinta pada Luna.
Malam itu, Luna tampak sedih dan tidak bersemangat karena bulan tidak terlihat. Melihat Luna seperti itu, Doraemon pun mengajaknya pergi berjalan-jalan di atas awan, tetapi apa yang akan terjadi selanjutnya...!?