Film začíná exkapitánem Gantem na jeho nové vesmírné lodi (jeho originál byl zničen v prvním filmu), kterého si najal doktor Jacques von Hämsterviel, aby získal zbylých 625 experimentů.
Mezitím na Zemi Stitch stále nezapadá a způsobuje další katastrofu. Lilo se ho snaží povzbudit tím, že ho přirovnává k Frankensteinovi. Přirozeně se kvůli tomu cítí ještě hůř. Najednou se zdola ozve rána. Běží po schodech dolů, kde dvojice narazí na Gantu, který se vloupává do jejich domu. V nastalém chaosu Stitch vystrčí břicho na Gantu, aby byl rozstřílen na síť. Gantu najde a vezme modrý modul s číslem 625, než unese Jumbu k výslechu. Lilovi a Stitchovi se podaří vzít Jumbovu loď, aby pronásledovali Gantu do vesmíru a zapojili se s ním do bitvy, než jsou poraženi a padají zpět k Zemi.
Zpátky v domě Lilo, Stitch a Pleakley najdou kontejner, který Jumba ukrýval. Pleakley si uvědomí, že jde o dalších 625 experimentů, v dehydrované formě. Varuje je, aby to nikomu neřekli, nebo experimenty nedali do vody. Záměrně neuposlechnou Pleakley, Stitch a Lilo získají kontejner a hydratují Experiment 221, který rychle uteče.
Mezitím je Jumba držen v zajetí na lodi Dr. Hämsterviela, který je překvapivě malý pískomil/pudl/králík-jako mimozemšťan. Hämsterviel nedokáže Jumbu zastrašit, a tak aktivuje Experiment 625, který má všechny Stitchovy schopnosti, aby na něj zaútočil. Naštěstí pro Jumbu, zatímco 625 má všechny Stitchovy schopnosti je také líný zbabělec, který upřednostňuje výrobu sendvičů nade vše ostatní.
Mezitím je Pleakley schopen se telefonicky spojit s Hämstervielovou lodí. Hämsterviel řekne Pleakleymu, že chce výkupné za zbylých 624 experimentů výměnou za Jumbu. Když Pleakley informuje ostatní členy rodiny, o jaké výkupné se jedná, Nani pokračuje voláním Cobra Bubbles, zatímco Lilo a Stitch jdou ven najít 221. Když Cobra dorazí druhý den ráno, zdá se, že už ví, co se stalo. Mezitím Lilo a Stitch konečně chytí nepříjemný Experiment 221 v hotelu.
Čas setkání dorazí a Pleakley a Kobra se objeví s kontejnerem, aniž by věděli, že obsahuje pouze 623 experimentů. Pleakley předá kontejner Hämsterviel, která je šokována, když zjistí, že jeden chybí. Lilo se pak objeví s Experimentem 221 uvězněným ve skleněné váze. Oznámí, že ho pojmenovala „Sparky“, a řekne, že Sparky je součástí Stitchovy, a tím i její, ʻohany. Hämsterviel jí řekne, aby mu dala experiment, jinak bude Jumba zastřelen.
Po několika okamžicích přemýšlení a poslouchání Kobra, Pleakley, Jumba a Hämsterviel je přesvědčují, Lilo a Stitch osvobodili Sparkyho a odpoutali Jumbu od jeho pout. Na pokyn Kobry se loď Velké radní vynoří z blízkého oceánu a namíří několik děl na Hämsterviel. Lilo protestuje, říká, že Hämsterviel má další experimenty a Sparky je odposlouchává.
Sparky pokračuje v používání svých elektrických schopností k vypouštění energie na Radní lodi, zatímco Hämsterviel a Gantu šplhají zpět na palubu své vlastní lodi s experimenty. V posledním pokusu zastavit Hämsterviel, Lilo a Stitch se na ní ukládají, když odplouvá, s Sparkym v patách.
Lilovi a Stitchovi se podaří kontejner s ostatními experimenty v něm ukrást. Boj o kontejner mezi Lilem, Stitchem a Gantem vyústí ve vypuštění dehydrovaných lusků, které prší a rozptylují se po celé Havaji. Když Hämsterviel hrdiny zajal, řekne své plány naklonovat Stitche tisíckrát a přikáže Gantu, aby si s Lilem dělal, co chce. Zatímco Gantu ukládá Lilo do teleportačního modulu, aby ji poslal do intergalaktické zoo, Stitch je připoután k závaží jen těžšímu, než dokáže zvednout.
Sleduje, jak se Stitch snaží vyhnout vivisekci laserem pro klonovací proces, Sparky ukazuje, že se reformoval tím, že způsobil zkrat klonovacího stroje. Poté Stitche osvobodí a oba připoutají Hämsterviel k zařízení, než zachrání Lila.
Poté, co zamkli Hämsterviel v poutech, Lilo, Stitch a Sparky zkratovali Gantu loď, což způsobilo, že se zřítila poblíž vodopádu na Kauai a Gantu byl ponížen. Když přistáli s Hämstervielovou lodí zpět na místě setkání, dali Sparkymu nový domov pohánějící maják Kilauea, který už léta neběží, protože jeho napájení bylo velmi drahé. Poté přesvědčili Velkou radní, aby jim dovolila rehabilitovat dalších 623 experimentů. Radní zatkla Hämsterviela a Jumba pošeptal Pleakleymu, že má plány na výrobu Experimentu 627. Na konci filmu jsou aktivovány Experimenty 202, 529, 455, 489 a 390, což vede k sérii.
Původní název filmu měl být Lilo & Stitch: Nová Ohana. V určitém okamžiku došlo k rozhodnutí, že Stitchovo jméno bude pouze v názvech filmu i následného seriálu, který se měl podle plánu jmenovat Stitch! The Series. Ten byl nakonec zrušen, což vedlo k tomu, že jak tento film, tak seriál měly odlišné názvy. Stitch! (s vykřičníkem) se později stal názvem anime seriálu, který debutoval pět let po vydání tohoto filmu.
Druhá série: „Spike“ • „Frenchfry“ • „Swapper“ • „Shoe“ • „Slick“ • „Skip“ • „Checkers“ • „PJ“ • „Ploot“ • „Snooty“ • „Retro“ • „Belle“ • „Morpholomew“ • „Spats“ • „Heckler“ • „Wishy-Washy“ • „Phoon“ • „Bugby“ • „Rufus“ • „Shush“ • „Lax“ • „Remmy“ • „Mrs. Hasagawa’s Cats/Ace“ • „Glitch/Woops“ • „Snafu“ • „Link“