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おやつのプリンを妹ひまわりに食べられてしまったしんのすけ。大げんかのあげく、思わず「ひまわりなんかいらないゾ!」と叫んでしまったところ、ちょうどひまわりを捜していたという謎の男たちが現われる。彼らの言うまま書類にサインしたしんのすけだが、それはひまわりをヒマワリ星の姫として譲り渡すという契約書だった。男たちとともにヒマワリ星に連れてこられた野原一家は、なんとかひまわりを取り戻そうとする。
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ある日しんのすけの前に、アクション仮面からのメッセージを携えた少女レモンが現われた。なんとアクション仮面が直々にしんのすけをアクションスパイに任命するというのだ。すっかりその気になったしんのすけは、レモンとともにスパイとなるべく訓練を開始する。アクション仮面本人に会わせるというレモンの言葉を信じて特訓に励むしんのすけ。やがて彼らに、悪の博士に奪われたカプセルを取り戻すという指令が下る。
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しんのすけたち“カスカベ防衛隊”の前に未来から来たという女性タミコが現われる。なんと彼女はしんのすけの婚約者だと名乗り、未来でピンチに陥った彼を救うには5歳のしんのすけの力が必要なのだと協力を求める。半信半疑で未来のネオトキオへと旅立ったカスカベ防衛隊の5人は、思っていたものとは違う未来の自分たちや家族の姿に失望しながら、ネオトキオの支配者・金有に捕まったという大人のしんのすけを捜すのだった。