物語は、しんのすけの前に突如現れた7歳の少女スパイ、スノモノ・レモンが「アクション仮面からの極秘任務」を持ちかけるところから動き出します。憧れのヒーローの相棒になれると信じ込んだしんのすけは、過酷なスパイ訓練を経て、悪の博士とされるヘガデル博士の研究所から極秘カプセル「メガヘガデルII」を盗み出すミッションに挑みます。しかし、これはすべてレモンが所属する国家「スカシペスタン共和国」の元首・ナーラオとヨースルが仕組んだ罠でした。
レモンの正体は、代々スパイとして国家に仕えるスノモノ一族の令嬢です。彼女は幼少期から両親であるプラスとマイに「任務の成功こそが家族の誇りであり、親に愛される唯一の条件」と徹底的に刷り込まれて育ちました。しんのすけを騙してカプセルを奪取したレモンでしたが、野原一家がスカシペスタンの軍勢に拉致され、理不尽に拘束される姿を目の当たりにして激しい葛藤に苛まれます。しんのすけが奪わされた「メガヘガデルII」の正体は、兵器ではなく、超強力なオナラを誘発する特殊な芋ようかんだったのです。
ナーラオとヨースルは、国民や世界中にこの芋ようかんを強制的に食べさせ、発生したオナラガスで世界を支配するという狂気の作戦を企てていました。真実を知ったしんのすけは、裏切られたにもかかわらず「オラ、レモンちゃんのこと信じてるもん」「自分のやりたいことやればいいのに」と、レモンの心に真っ直ぐ語りかけます。親の顔色を窺い、国家の歯車としてしか存在を許されなかったレモンにとって、利害関係なしに自分を肯定してくれたのはしんのすけが初めてでした。
クライマックスでレモンは、自らの意思で祖国と両親の命令に背く決断を下します。しんのすけと共にメガヘガデルIIを自らの胃袋にすべて流し込み、宮殿を吹き飛ばすほどの凄まじいオナラガスを噴射して巨大ガス貯蔵タンクを無力化。大爆発の中で落下するレモンとしんのすけを救ったのは、娘の命がけの叫びに心を揺さぶられ、スパイの仮面を脱ぎ捨てた両親でした。
事件解決後、スカシペスタンを追われたレモン一家は、しんのすけの機転により隣国「ヘガデル共和国」へと亡命します。ラストシーンで描かれたのは、スパイの任務から完全に解放され、等身大の7歳の女の子として両親と手をつなぎ、屈託のない笑顔を浮かべるレモンの姿でした。過酷な宿命を背負わされた子どもが、他者との真の関わりによって「子どもでいられる時間」を取り戻す——これこそが、本作の結末に秘められた最大の感動の真相です。
