野原新之助因与妹妹小葵争夺布丁被父母训斥，赌气说出"不要妹妹"的气话。此时自称宇宙保育员的绿衣人突然出现，以"向日葵公主"名义带走了小葵。签订协议后，野原全家被吸入UFO带往宇宙。在星际旅途中，他们遇到了来自未来都市"Neo Tokio"的少女多美子，她声称自己是小新未来的新娘，并告知成年小新被她的父亲金有增藏绑架。为拯救未来的自己，5岁的小新与家人乘坐时光机前往未来都市，却遭遇金有增藏派出的刺客追击。在这场跨越时空的冒险中，小新不仅要找回妹妹，还要解救未来的自己，最终能否改写命运成为最大悬念。