くじ引きの結果、運動会の二人三脚でジャイアンとペアを組むことになったのび太は、勝利にこだわるジャイアンから「二人三脚をキケンしろ！」と言われてしまう。自分もジャイアンのように速く走れるようになりたいというのび太のために、ドラえもんは『人間機関車セット』を取り出す。頭に煙突をかぶり、石炭を食べて水を飲むと、ダイナミックな蒸気機関車のように、ものすごい速さで走ることができるようになるという。
言われたとおりに煙突をかぶり、石炭と水を口に入れたのび太は、自分の体の内側から力がわいてくるのを実感！ ピアノのレッスンにちこくしそうだというしずかちゃんを猛スピードで送りとどけるが、黒煙のおかげでしずかちゃんの姿は真っ黒に…。
その後、ジャイアンを見つけ、二人三脚の練習をしようと持ちかけるが、残っている石炭をすべて食べたのび太は大暴走。制御不能の状態になってしまい…！？