Pur essendo, in ordine di uscita, la terza pellicola ad occuparsi dell'universo di Lilo & Stitch il film, dal punto di vista cronologico, è il primo vero sequel del film del 2002 Lilo & Stitch. La storia si sviluppa infatti prima degli avvenimenti del film del 2003 Provaci ancora Stitch!.
Stitch è ormai entrato a pieno titolo nella famiglia di Lilo e Nani, ma una notte il piccolo alieno ha un terribile incubo in cui sogna di diventare nuovamente cattivo e di ferire la bambina. Lilo lo ascolta attentamente e controlla il suo livello di bontà, rassicurandolo del fatto che si sia trattato solo di un sogno. Quel giorno, il gruppo di ballo di cui fa parte Lilo viene invitato a partecipare ad una gara di Hula, e tutte le allieve devono preparare un'idea. Lilo, ricordando che sua madre alla sua età vinse una competizione di Hula, è determinata a vincere, e Stitch decide di aiutarla viaggiando con lei per le Hawaii in modo da trovare idee.
Durante una serata in famiglia però, l'alieno manifesta dei problemi comportamentali e perde il controllo, rimanendo vittima di un glitch che fa diventare verdi i suoi occhi per alcuni istanti e lo fa comportare in modo strano. Jumba, suo creatore che lo aveva chiamato inizialmente "Esperimento 626", se ne accorge, ricordando che quando lo aveva creato non l'aveva potuto "caricare" al massimo, poiché quando venne arrestato la carica delle sue molecole venne interrotta in seguito all'irruzione delle guardie della Confederazione Galattica nel suo laboratorio. Chiede così aiuto a Pleakley per costruire una camera di fusione, in modo da ricaricare le sue molecole di Stitch, perché se si dovessero scaricare del tutto, Stitch morirebbe.
I glitch nel frattempo si ripetono, e Stitch finisce per perdere ancora il controllo e causare guai, facendo tra l'altro calare il suo livello di bontà a favore di un rigurgito della sua vecchia malvagità di alieno nato per distruggere; Lilo però, tutta presa dalla gara di Hula, non se ne accorge, e Stitch spera di riuscire a risolvere il problema prima che la bambina si renda conto che lui sta tornando malvagio. Tornati a casa dai loro giri esplorativi, Lilo e Stitch decidono di usare come idea per la gara di ballo la storia della dea Hi'iaka e del mortale Loihau, secondo la quale l'amore è più forte di tutto, anche della morte, ma sfortunatamente, alle prove della Hula, un improvviso ritorno del glitch di Stitch rovina tutto, e Lilo, che non capisce perché, addossa a Stitch la colpa di tutto e lo ignora per allenarsi da sola, mentre l'alieno, nel tentativo di aggiustare le cose, torna nei luoghi già visitati per compiere buone azioni e ripristinare ancora una volta il suo livello di bontà.
Intanto, Jumba costruisce la camera di fusione, ma dopo che essa esplode, rivela di non averla mai costruita, e che all'epoca l'aveva ordinata su un catalogo di forniture intergalattiche. Lui e Pleakley devono quindi arrangiarsi con le tecnologie terrestri per cercare di ricostruirla da zero.
Quando Stitch torna a casa, Lilo, ormai ossessionata dal cercare di vincere la gara di Hula, gli dà buca ed i due hanno un'altra discussione, e dopo che per una ricaduta del glitch il piccolo alieno mette a soqquadro la sua stanza, la bambina litiga pesantemente con lui dicendogli che è cattivo e sarà sempre cattivo. Jumba, dopo un po' di tempo, riesce finalmente a ricostruire la macchina di fusione, e intanto Lilo prende parte alla gara di Hula. Tuttavia, quando Jumba le spiega che Stitch è nei guai ed i motivi del suo strano comportamento, rinuncia alla gara per aiutare il suo amico.
Il povero alieno, ormai allo stremo delle forze, perde ancora una volta il controllo e ferisce accidentalmente Lilo sulla guancia, proprio come nel suo sogno, ed in preda allo shock, prende l'astronave di Jumba per lasciare il pianeta Terra, ma un ennesimo glitch lo fa invece schiantare sulle montagne, dove tutta la famiglia lo va a cercare. Lilo cerca di mettere Stitch nella macchina di Jumba, ma le sue molecole sono ormai scariche e l'alieno apparentemente muore tra le braccia della bambina. Disperata e in preda ai sensi di colpa per non averlo aiutato quando lui aveva bisogno di lei, Lilo inizia a piangere mentre lo abbraccia, ma Stitch riprende i sensi, indicando che è stato salvato all'ultimo momento.
Più tardi, alla gara di Hula, l'intera famiglia – compresi Jumba e Pleakley – balla sul palcoscenico.
