本片剧情接续原本电影，叙述在史迪奇这“626号实验品”之前，强霸博士已有好几百个失败实验产物，如今强霸居然把这些实验产物全都偷偷走私到地球。心怀不轨的越狱者仓鼠飞轮和被开除而怀恨在心的刚图舰长联手，绑架了强霸博士，并且要去寻回之前的625个实验品，再次创造出全新的小魔星?这些希奇古怪的星际宝贝实验品包括有能发出强力电波的第221号实验品、懒惰却能做出美味三明治的第625号实验品等等。　　如今，夏威夷七岁小女孩Lilo（莉萝）和星际宝贝Stitch（史迪奇）要协助星际联盟，在夏威夷群岛做地毯式搜索，抢在坏蛋之前找到625个实验品，并且还要帮这些星际宝贝都找到各自温暖的家！

来自外星的“实验品626”史迪奇（克里斯·桑德斯 配音）在一场太空追捕中意外降落在夏威夷海岛，与小女孩莉萝（玛雅·凯洛哈 饰）相遇，为了躲避追捕，史迪奇伪装成小狗进入了莉萝的生活，发生了一段极其风趣又不失感人的故事。

5岁的女孩丽洛一直梦想养一只宠物狗，这天她终于得偿所愿，在姐姐的帮助下收养了一只流浪小狗，并帮他取名史迪。其实史迪并不是什么流浪狗，他是外太空的危险分子，长有六条腿，在流放中偷跑到了地球。为了隐瞒身份，史迪一直将他的另外两只脚藏起来，外表和其他的小狗一样。在朝夕相处中，史迪和丽洛慢慢建立了深厚的感情。然而此时，追捕史迪的外星人发现了史迪藏身地球，为了逼他就范，他们绑架了丽洛。为了救回好朋友，史迪决定尽力一拼！

5岁女孩莉萝在姐姐的帮助下收留了一只流浪狗，她给这只狗起名叫史迪仔，并希望史迪仔能够给自己的生活增添一份乐趣。但是莉萝万万没有想到的是，史迪仔并不是可怜的流浪狗，而是来自外星球的长着六支脚的危险分子，只是在流放中偷跑到地球上来的！为了在地球上隐藏身份，史迪仔只能“忍辱偷生”，把自己的两只脚藏起来，让自己看起来像是一只狗，在和莉萝相处的日子里，小女孩的善良单纯让她和史迪仔成了形影不离的好伙伴。

在经历了种种波折和磨难之后，星际宝贝史迪奇（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）总算取得了“地球常住客”的身份，成为了莉洛（达科塔·范宁 Dakota Fanning 配音）家庭中的一份子。一年一度的草裙舞大赛即将拉开序幕，莉洛的妈妈曾经在比赛中夺得头筹，莉洛想要参加这届比赛，再现妈妈的风采。