In seguito agli eventi del film Provaci ancora Stitch!, vediamo i protagonisti Lilo e Stitch in missione per recuperare tutti i rimanenti 623 "cugini" dell'esperimento 626 Stitch sparsi per l'isola. Frequentemente l'ostacolo principale alla ricerca è Gantu, ex-capitano della Federazione Galattica e ora grande sgherro del malvagio dottor Jacques Von Hamsterviel, che intende servirsi degli esseri creati da Jumba, suo ex-collega, per conquistare la Federazione. Altre volte è la stessa Lilo a complicare le cose, cedendo alla tentazione e servendosi dell'esperimento appena catturato per far colpo sulla rivale Mertle Hammonds. Anche 626 ha i suoi "momenti no", nei momenti in cui sottovaluta i suoi cugini e rimane vittima dei loro poteri. La maggior parte delle volte l'esperimento viene catturato da Lilo e Stitch, riabilitato e assegnato a una mansione in cui i suoi poteri siano produttivi. In altri episodi (ma unicamente nella prima stagione) è Gantu a uscirne vincitore, inviando così l'esperimento ad Hamsterviel. Fra i "cugini" di maggior rilievo spiccano 625, prototipo di Stitch amante dei Sandwich e spalla comica di Gantu; Angel, l'esperimento 624, interesse sentimentale di Stitch; 007, Jiji, uguale in tutto e per tutto a uno shi-tzu terrestre e per questo adottata senza problemi da Mertle; 199, Ficcanaso, il cui nome parla da sé, ricorre in pochi episodi ma il suo ruolo si rivela decisivo. In un episodio compare addirittura 627, versione aggiornata di Stitch, a detta di Jumba, completamente malvagia. Altre puntate memorabili sono le quattro della seconda stagione che vedono Lilo e Stitch interagire con i protagonisti di altre serie Disney Channel: Kim Possible, La famiglia Proud, Ricreazione e American Dragon: Jake Long. Il finale della serie vede Lilo, Stitch e un manipolo di altri esperimenti accorrere al salvataggio dei cugini tenuti prigionieri da Gantu.