夏休みのある日。のび太は出木杉から『宝島』の本を教えられ、ジャイアンたちに自分も宝島を発見すると宣言してしまう。のび太はドラえもんのひみつ道具「宝探し地図」で宝島を探す。その地図に指し示された場所は、最近太平洋上に現れた新しい島だった。のび太たちは組み立て帆船「ノビタオーラ号」に乗って、島を目指すが、島に上陸する手前で海賊に襲われる。しずかが海賊にさらわれ、島も消え失せてしまう。のび太たちは海に漂う少年・フロックとペットのオウム型ロボット・クイズに出会う。島は巨大な海賊船で、フロックは海賊船から逃げたメカニックだった。のび太たちは海賊からしずかを助け出し、宝島に眠る財宝に隠された秘密を探るため船を進める。しずかは海賊船の中で自分そっくりな少女・セーラに出会う。セーラとフロックの父親で海賊船船長のシルバーは地球のエネルギーを吸い取り、新しい星に移る「ノアの方舟計画」を実行しようとしていた。海賊船にのび太たちが駆け付ける。フロックやドラえもんの奮闘でエネルギー奪取は阻止された。のび太たちに説得されたシルバーは改心し、息子のフロックとも和解。シルバーたちは時空を超え元の時代へと帰っていった。いつもの空き地で遊ぶのび太は、ポケットから転がり落ちた金貨を見て、ひと夏の冒険に思いをはせる。
『のび太の月面探査記』の公開を記念して、2019年3月1日（映画公開当日）にテレビ朝日系列の『ドラえもん・クレヨンしんちゃん 春だ!映画だ!3時間アニメ祭り』内で地上波初放送された。エンドロールが本編のダイジェストになっており、主題歌も短縮版になっているため、映画版での登場人物のその後を描いたシーンは登場しなかった。
全国381スクリーンで公開され、2018年3月3、4日の初日2日間で観客動員数71万6,629人、興行収入8億4,314万8,500円となり、映画観客動員数ランキング（興行通信社調べ）で初登場第1位を獲得。なお、ぴあの調査による初日満足度ランキングでは満足度92.4となり第2位となっている。4月3日までの32日間で動員389万8193人、興収44億4223万8200円を記録（東宝調べ）し、アニメ第2作2期シリーズとしては最高記録であった『のび太の南極カチコチ大冒険』（2017年）の44億3000万円を上回った。最終興行収入は53億7000万円となった。観客動員数は4月24日時点で446万人を超えており、これまでの最高記録だった『のび太の日本誕生』（1989年）の420万人を更新した。
第2期の映画では恒例となっている、エンドロール後のおまけ映像（次作の予告）は、天動説の地球が登場→異説クラブメンバーズバッジ登場→2019年春公開と表示→月で餅つきをするウサギが登場となっている。2018年10月11日に最新作のタイトルが『ドラえもん のび太の月面探査記』であることが発表された。
2009年（平成21年）6月24日から8月21日にかけて、沿線自治体（三島市・函南町・伊豆の国市・伊豆市）で開催される祭や花火大会をPRするヘッドマークを2編成とも装着した。第2編成ではそれらに加えて客用扉部および戸袋部へのラッピングや、中吊り広告を専用のものにするなどの装飾が加えられた。上記イベント終了後、第2編成先頭車戸袋部にグループ全体での『エコ活動推進』をPRするステッカーの貼付が行われた（すでに終了）。また、同年12月12日より伊豆の国市で開催されるいちご狩りをPRするヘッドマークを装着して運行された。現在は、客用扉にセブンティーンアイスのラッピング広告が施されている。また、中吊り広告が、一日乗車券『旅助（たびだすけ）』や伊豆・三津シーパラダイスなどの、自社PR広告に変更されている。2017年11月に施工された全般検査で、先頭車の額縁部分が、それまでの銀色（車両本体のステンレスに歩調を合わせていた）から金色に変更され、帯色も青から紺色（3000系第6編成の基調色と同じレジェンドブルー）に変更された。また第2編成は、かねてより伊豆箱根鉄道を含む西武鉄道グループ各社が協賛しているアニメ作品『ラブライブ!サンシャイン!!』の劇場版公開（2019年（平成31年）1月4日から）に合わせ、同作品のキャラクターを各車両にあしらったラッピング電車として2018年（平成30年）12月13日より運行を開始した。2020年（令和2年）3月をもって運行終了が発表され、同年1月から、ヘッドマークを「ラストラン」仕様に変更して最終日まで運行の予定。一方、第1編成は、2009年（平成21年）10月12日から2010年（平成22年）3月31日まで、駿豆線沿線に近在する静岡県立大仁高等学校の90年の歴史を振り返るラッピング電車『大仁高アルバム電車』として運行された。同校のシンボルマークをあしらったヘッドマークを装着し、客用扉部にも同シンボルマークがラッピング装飾された。戸袋窓部には同校卒業生の描いた絵や撮影した写真が飾られ、中吊り広告部分には同校の90年の歴史を刻んだ写真が展示された。4月に伊豆総合高校が開校したあとこの設備は撤去され（原型に復元）、2019年（令和元年）6月の全般検査施工後、同年8月2日から、テレビアニメ「Dr.STONE」とタイアップしたラッピンク゜列車として運行中（2020年〈令和2年〉1月13日までの予定〉。これに併せて、8月25日に修善寺駅にて、声優の小林裕介を一日駅長に迎えて同列車の出発式を開催した。