Stitch & Ai folgt den Ereignissen von Leroy & Stitch. Stitch wird von Weltraumkriminellen entführt, die ihn für ihr eigenes zerstörerisches Genexperiment benutzen wollen. Er entkommt jedoch in Chinas Huangshan-Berge, wo er sich mit Ai anfreundet, einem temperamentvollen Mädchen aus der Region, das Gefahr läuft, von ihrer älteren Schwester Jiejie getrennt zu werden. Stitch wird zu Ais "Hund", und die beiden helfen sich gegenseitig bei der Bewältigung ihrer Probleme; Ai hilft Stitch, mit den Weltraumkriminellen fertig zu werden, während er ihr hilft, mit ihrer Familie in den Bergen zu bleiben.