野原广志在周末陪儿子小新看完机器人电影后，回家玩合体游戏时不慎扭伤腰，前往医院治疗。谁知，他竟被一个神秘组织秘密绑架，并被改造成一台高性能的机器人。改造后的“机器人爸爸”回到家中，不仅家务全能、工作出色，还对小新和美伢百依百顺，堪称完美楷模。然而，小新很快发现，这个爸爸虽然体贴，却总有些不对劲——他失去了真正的广志特有的懒散、幽默和笨拙，仿佛一个没有灵魂的躯壳。

原来，神秘组织企图利用机器人爸爸控制野原家，进而实施更大的阴谋。小新和妈妈美伢、妹妹小葵以及小白齐心协力，决定前往敌人的秘密基地，展开一场惊心动魄的救援行动。在冒险过程中，小新用他天真又勇敢的方式，唤醒了机器人爸爸体内残存的广志记忆和父爱。最终，在全家人的共同努力下，他们击败了反派，救回了真正的广志，而机器人爸爸也在最后一刻牺牲自己，保护了野原一家。

影片延续了《蜡笔小新》系列一贯的搞笑与温情风格，既有荒诞的科幻设定和爆笑桥段，又深刻探讨了家庭、父爱与身份认同的主题。小新那句“爸爸就是爸爸，不管变成什么样都是我的爸爸”更是催人泪下，让观众在欢笑中感受到亲情的珍贵。