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Il dottor Jumba Jookiba è messo sotto processo dalla Federazione Galattica per "sperimentazione genetica illegale", la cui prova è l'Esperimento 626: una creatura aggressiva che è quasi indistruttibile e con grandi capacità di apprendimento. Jumba viene imprigionato mentre l'Esperimento 626 deve essere esiliato su un asteroide deserto. Durante il trasporto sulla nave del capitano Gantu, 626 riesce a uscire dalla sua cella e a tagliare la rete elettrica della nave. 626 dirotta un'unità della polizia durante la sua fuga, ma si ritrova in inferiorità numerica e disarmato. Circondato, 626 attiva l'ipervelocità e passa attraverso la loro difesa, impostando le coordinate a caso e sbarcando infine sul pianeta Terra. La Presidentessa del Consiglio ordina a Jumba di lavorare con l'agente Pleakley per recuperare 626 discretamente. 626 sopravvive al suo tentativo di fuga verso la Terra, atterrando sull'isola hawaiana di Kauai, ma sviene dopo essere stato investito da un camion di passaggio, e viene portato al canile perché i camionisti credono che sia un cane.

Sulla Terra, dopo la recente morte dei genitori in un incidente d'auto, una ragazza di nome Nani Pelekai sta badando alla sua turbolenta sorella minore, Lilo. Le due ricevono la visita di Cobra Bubbles, un assistente sociale, che è preoccupato che Nani non possa prendersi adeguata cura di Lilo. Egli considera di mettere Lilo in un orfanotrofio, ma Nani non approva poiché Lilo e lei sono gli unici membri rimasti della sua famiglia; Lilo non l'aiuta poiché non capisce quello che può accadere. Dopo aver ascoltato Lilo nella sua stanza pregare di avere un amico (Lilo non ha veri amici perché ogni bambina della sua classe si prende gioco di lei), Nani si impegna a consentire a Lilo di adottare un cane. Al canile, Lilo ha subito un vivo interesse per l'Esperimento 626, nonostante Nani e la responsabile del canile dubitino fortemente che si tratti davvero di un cane. Lilo dà a 626 il nome di "Stitch" e lo mostra agli abitanti dell'isola; Stitch scopre rapidamente che la fuga è impossibile poiché l'isola è circondata dall'acqua (e il suo corpo è troppo pesante per il nuoto) e che non ci sono grandi città, cosa che Jumba aveva precedentemente detto che avrebbe cercato per provocare il caos, e soffre di un esaurimento nervoso.

Mentre Nani tenta di trovare un buon lavoro dopo essere stata licenziata a causa di Lilo e Stitch, è costretta a portare con sé i due. Lilo utilizza il tempo per cercare di frenare l'aggressività di Stitch incoraggiandolo a comportarsi come Elvis Presley, che lei considera un cittadino modello, e leggendogli Il brutto anatroccolo. Le buffonate di Stitch, anche se a volte sventano i tentativi di Jumba e Pleakley di catturarlo, rovinano anche le possibilità di Nani di ottenere un lavoro. David, un amico di Nani, la vede in spiaggia, dove stava cercando di ottenere un lavoro come bagnina. David suggerisce di andare a fare surfing per migliorare il suo stato d'animo. Mentre Nani, Lilo e Stitch cavalcano un'onda enorme, Jumba tenta nuovamente di catturare Stitch sott'acqua; di conseguenza, sembra che Stitch tenti di annegare Lilo. Anche se tutti arrivano sani e salvi a riva, Cobra ha visto tutto e dice a Nani che verrà la mattina seguente per portarle via Lilo, e se ne va dispiaciuto. Dopo aver visto quanti problemi ha causato, Stitch se ne va portandosi via il libro de Il brutto anatroccolo nella speranza di trovare la sua "famiglia".


La mattina dopo, mentre Nani attende l'arrivo di Cobra, David racconta a Nani di un'offerta di lavoro a cui lei deve rispondere. Nani dice a Lilo di rimanere a casa mentre lei va a procurarsi il lavoro. Stitch, nascondendosi nei boschi vicini, incontra Jumba, il quale rivela che Stitch non potrà mai avere una famiglia perché è stato costruito per distruggere. Stitch corre a casa di Lilo, seguito da Jumba che gli spara con la sua pistola. I due lottano, e Lilo telefona subito a Cobra per cercare aiuto. La casa viene infine distrutta dalla lotta, con Nani e Cobra che arrivano poco dopo. Mentre Nani e Cobra discutono del benessere di Lilo, questa va a nascondersi nella foresta e trova Stitch, che le rivela la sua vera forma aliena. Mentre lei gli dice come ha rovinato tutto, entrambi vengono catturati dal capitano Gantu, che era stato inviato a catturare Stitch dopo il fallimento di Jumba e Pleakley nella missione, e riesce a lasciare la Terra. Nani è scioccata nel vedere Gantu mettere Lilo e Stitch in un guscio contenitore e decollare sulla nave. Stitch fuoriesce dal contenitore prima che la nave decolli, lasciando dietro di sé Lilo. Nani poi si rende conto che Stitch non è quello che lei pensava che fosse, e dice che avrebbe fatto meglio a parlare, proprio come Lilo aveva sempre detto avesse fatto.

Mentre cercano ancora una volta di catturare Stitch, Jumba e Pleakley vengono scoperti da Nani, e le dicono che conoscono Lilo e che entrambi la possono riportare indietro. Stitch, con l'aiuto della nave di Jumba e lanciando un camion cisterna di gas fuori da un vulcano, è in grado di liberare Lilo e fermare Gantu. Dopo aver atterrato, scoprono che la Presidentessa del Consiglio è arrivata nelle vicinanze al fine di catturare Stitch personalmente. Quando vede che Stitch ha sviluppato un senso di rispetto e compassione, si rende conto che è diventato una creatura civilizzata e non più un abominio. Utilizzando il certificato di proprietà di Lilo per Stitch, che dimostra che prendere Stitch avrebbe significato rubarlo a Lilo, la consigliera afferma che Stitch, ora una parte della famiglia di Nani e Lilo, vivrà il suo esilio sulla Terra con gli umani come suoi carcerieri. Mentre le sue guardie portano via Gantu, lei vieta a Pleakley e Jumba di andarsene, e ordina a Cobra, un ex agente della CIA che in precedenza aveva incontrato la Presidentessa a Roswell, di tenere d'occhio la nuova famiglia. Stitch, Jumba e Pleakley diventano parte della famiglia di Lilo, e la casa viene ricostruita con l'aiuto dei tre, di David e di Cobra.