Stitch & Ai acompanha os eventos de Leroy & Stitch. Stitch é sequestrado por criminosos espaciais que querem usá-lo para ter seu próprio experimento genético destrutivo. No entanto, ele escapa para as montanhas Huangshan, na China, onde faz amizade com Ai, uma garota local cheia de energia que corre o risco de ser separada de sua irmã mais velha, Jiejie. Stitch se torna o "cachorro" de Ai, e os dois se ajudam a lidar com os problemas um do outro; Ai ajuda Stitch a lidar com os criminosos espaciais, enquanto ele a ajuda a permanecer nas montanhas com sua família.