Stitch masih belum terbiasa tinggal di Bumi. Lilo mencoba menghiburnya dengan mengatakan bahwa Stitch adalah sahabat yang istimewa bagi dirinya. Tiba-tiba ada suara benturan keras dari luar. Lilo dan Stitch mencari tahu asal suara tersebut, dan ternyata Gantu datang untuk merampas hasil eksperimen Jumba. Dalam kekacauan, Gantu menemukan bola biru bernomor "625" yang langsung diambilnya. Sekaligus Jumba diculiknya untuk diinterogasi. Lilo dan Stitch mengejar Gantu hingga ke luar angkasa dengan memakai pesawat Jumba. Pertempuran antara pesawat Stitch dan Gantu terjadi, namun Stitch kalah bersama pesawatnya jatuh ke Bumi.
Setelah kembali di rumah, Lilo, Stitch, dan Pleakley menemukan mesin penyimpan eksperimen yang disembunyikan Jumba. Menurut Pleakley, di dalam mesin itu berisi 625 monster hasil eksperimen dalam bentuk kering. Pleakley memperingatkan agar tidak memasukkan bola biru berisi monster ke dalam air. Secara sengaja, Lilo dan Stitch tidak mematuhi nasihat Pleakley, bola berisi Experiment 221 dimasukkan ke dalam air dan menetas.
Jumba ditawan di kapal luar angkasa oleh hamster jahat Dr. Hämsterviel. Walaupun sudah berusaha keras, Hämsterviel yang bertubuh kecil dan pendek, tidak juga dapat menakut-nakuti Jumba. Bola berisi Experiment 625 lalu ditetaskannya dengan maksud untuk menyerang Jumba. Walaupun memiliki kekuatan setara dengan Stitch, Eksperimen 625 ternyata sangat malas, sangat pengecut, dan hanya berminat membuat sandwich (roti lapis).
Dari nomor yang dicarinya di buku petunjuk telepon galaksi, Pleakley akhirnya berhasil menelepon kapal luar angkasa Dr. Hämsterviel. Kepada Pleakley, Hämsterviel meminta tebusan berupa 624 buah ekperimen bila ingin Jumba dibebaskan. Setelah permintaan Hämsterviel disampaikan ke anggota keluarga yang lain, Nani langsung menelepon Cobra Bubbles. Lilo dan Stitch segera pergi ke luar untuk menangkap Eksperimen 221. Ketika keesokan harinya Cobra datang, ia kelihatan sudah tahu apa yang sedang terjadi. Lilo dan Stitch akhirnya menemukan Eksperimen 221 yang sedang membuat kacau di sebuah hotel.
Sesuai perjanjian dengan Hämsterviel, Pleakley dan Cobra tiba di tempat pertukaran sandera. Dr. Hämsterviel hanya mau melepaskan Jumba bila ditukar dengan mesin penyimpan eksperimen. Pleakley menyerahkan alat itu ke Dr. Hämsterviel yang marah karena ada satu monster eksperimen yang kurang. Pada saat yang tepat, Lilo tiba dengan membawa Eksperimen 221 yang sudah tertangkap di dalam vas kaca. Lilo mengatakan bahwa Eksperimen 221 sudah diberinya nama "Sparky" karena dia senang membangkitkan listrik. Lebih lanjut, Lilo mengatakan Sparky adalah sepupu Stitch, dan sebab itu, Sparky juga ʻohana bagi Lilo. Namun, Hämsterviel masih mengancam keselamatan Jumba bila 221 tidak diberikan kepadanya.
Lilo dibujuk oleh Cobra, Pleakley, Jumba, dan Hämsterviel agar mau menyerahkan Sparky kepada Hämsterviel. Setelah beberapa saat berpikir, Lilo dan Stitch akhirnya melepaskan Sparky, dan membebaskan Jumba dari tali ikatan. Setelah diberi isyarat oleh Cobra, kapal luar angkasa yang dinaiki Grand Councilwoman muncul dari bawah laut, dan menodongkan senjata besar-besar ke arah Dr. Hämsterviel. Lilo protes dan mengatakan bahwa masih ada eksperimen lain yang dimiliki Dr. Hämsterviel. Kata-kata Lilo didengar oleh Sparky yang lalu memakai listrik yang dibangkitkannya untuk merusak sumber tenaga di kapal angkasa Councilwoman. Sebagai akibatnya, Hämsterviel dan Gantu melarikan diri naik ke pesawat angkasa dengan membawa mesin penyimpan eksperimen. Sebagai upaya terakhir menghentikan Dr. Hämsterviel, Lilo dan Stitch diam-diam menyelinap ikut ke dalam pesawat, diikuti oleh Sparky.butan mesin penyimpan eksperimen antara Lilo, Stitch, dan Gantu. Mesin penyimpan eksperimen akhirnya dilempar ke luar jendela pesawat, namun sempat ditangkap oleh Gantu. Secara tidak sengaja, bola-bola berisi eksperimen terlempar ke Bumi, dan jatuh berserakan di Hawaii. Stitch juga berhasil ditangkap oleh Dr. Hämsterviel. Hämsterviel mengatakan bahwa Stitch akan dikloning untuk menggandakannya hingga berjumlah ribuan, sementara Lilo diberikan kepada Gantu untuk diurus. Gantu memasukkan Lilo ke dalam kamar teleportasi yang akan mengirimnya ke kebun binatang antargalaksi. Stitch diikat ke sabuk pemberat yang beratnya melebihi kekuatan Stitch.
Sparky menyebabkan terjadinya hubungan pendek di mesin kloning, dan Stitch selamat dari dipotong-potong memakai sinar laser. Sparky dan Stitch membalas perbuatan Hämsterviel dengan mengikatnya ke mesin kloning, dan lalu membebaskan Lilo. Setelah itu, Lilo, Stitch, dan Sparky merusak pesawat angkasa Gantu dengan memakai listrik dari Sparky. Pesawat akhirnya jatuh di dekat air terjun di Kauai. Cerita berakhir dengan Sparky diberi pekerjaan di sebuah mercu suar tua yang sudah lama tidak difungsikan karena mahalnya biaya listrik. Mereka lalu meyakinkan Grand Councilwoman untuk bersabar hingga Stitch dan kawan-kawan berhasil mengumpulkan 623 monster hasil eksperimen yang telah tersebar di seluruh Hawaii. Councilwoman memerintahkan Hämsterviel untuk ditangkap. Pada akhir film juga diaktifkan eksperimen nomor 202, 529, 455, 489, dan 390.
