En una soleada isla de Hawái, Lilo, una niña dinámica y un poco solitaria, se encuentra en medio de una crisis familiar y emocional tras la muerte de su madre. Su hermana Nani, que se esfuerza por cuidar de ella y mantener un hogar, enfrenta dificultades laborales y tensiones con los asistentes sociales que cuestionan su capacidad como tutora. Una noche, mientras explora en la playa, Lilo tropieza con un extraño ser extraterrestre, Stitch, un experimento fallido con aspecto de perro y una capacidad asombrosa para causar caos.