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. Aunque Stitch fue creado para destruir, su encuentro con Lilo lo transforma; ella ve en él no solo un amigo, sino también una segunda oportunidad para lo que significa la familia.
Mientras Lilo trata de enseñarle a Stitch sobre el amor y la amistad, su vínculo se convierte en una mezcla de locuras y momentos tiernos. Sin embargo, la llegada de sus creadores intergalácticos amenaza con separar a estos dos inadaptados. Con la ayuda de su familia, amigos y la sabiduría de los ancianos de la isla, Lilo y Stitch deben luchar para mantener juntos lo que han formado. Con un viaje lleno de aventura, música y un poco de magia hawaiana, la historia explora la importancia de aceptar a los que son diferentes y encontrar tu lugar en el mundo, todo mientras se enfrentan a la posibilidad de perderse el uno al otro. Al final, el verdadero significado de la familia se redefine en esta entrañable y emocionante aventura intergaláctica.