En un mundo donde la ciencia y la creatividad se entrelazan, un grupo de amigos se embarca en una inesperada aventura. Después de los eventos anteriores, Lilo y Stitch están disfrutando de una vida tranquila en Hawái, pero la paz se ve interrumpida cuando el Dr. Jumba y Pleakley reciben una misión urgente. La experimentación alienígena 626, alias Stitch, y su adorable amiga Lilo deben enfrentarse a una nueva amenaza: la creación de un nuevo experimento, Leroy, que ha sido diseñado para ser la versión malvada y astuta de Stitch.
Mientras Lilo se dedica a cuidar de su hermana y mantener su hogar unido, Stitch se ve obligado a enfrentarse a su oscuro doble, quienes no solo poseen los mismos poderes que él, sino que también están determinados a desatar el caos en la Tierra. Con el apoyo de sus amigos, incluidos el Dr. Jumba y Pleakley, Lilo y Stitch se lanzan en una trepidante carrera contra el tiempo para detener a Leroy antes de que cause estragos.
Pero a medida que la batalla se intensifica, Lilo descubre que la verdadera fuerza de su familia se encuentra en la unidad y el amor. En una combinación de acción emocionante y momentos entrañables, la historia aborda temas de amistad, aceptación y la búsqueda del propósito. Finalmente, Lilo y Stitch aprenderán que, aunque los experimentos pueden ser creaturas extrañas y variopintas, lo que realmente importa es la conexión que tienen entre ellos y lo que significa ser una familia.