Ambientato nelle splendide Isole Hawaii è la storia di Lilo, una bambina solitaria e piena di fantasia che cerca disperatamente di trovare il proprio posto nel mondo.
La sua vita cambia quando stringe un legame speciale con Stitch, un misterioso e bizzarro alieno che inizialmente Lilo crede essere un cane. Invece, Stitch non è affatto un animale domestico, ma una creatura geneticamente modificata, creata dallo scienziato Jumba Jookiba come arma di distruzione. Dopo essere riuscito a sfuggire al controllo di Jumba, Stitch arriva sulla Terra, cercando rifugio. Lilo accoglie Stitch con il cuore aperto, creando un legame profondo e sincero con lui.
Ma dal quel momento si trova a dover affrontare gli alieni inviati per riportare Stitch dal suo padrone, e gli assistenti sociali che minacciano di separarla dalla sua amata sorella Nani. Insieme, Lilo e Stitch si trovano a superare una serie di sfide difficili, che mettono a dura prova il loro legame. In questa avventura, scoprono che l'amore, la lealtà e la famiglia possono nascere nei modi più inaspettati.