Cerita-cerita dalam serial ini merupakan kelanjutan dari film Stitch! The Movie yang belum tamat. Lilo dan Stitch diberi tugas mengumpulkan monster eksperimen Jumba yang hilang, mengubah kelakuan mereka dari jahat menjadi baik, dan mencarikan pekerjaan bagi mereka. Sementara itu, mantan Captain Gantu dan rekannya yang malas, Experiment 625 berusaha menangkap semua hasil eksperimen untuk diberikan kepada Dr. Hämsterviel yang sedang dipenjara.
Serial kartun ini terdiri dari 65 episode yang ditayangkan dalam tiga musim. Penutup dari serial kartun ini adalah film Leroy & Stitch yang diedarkan langsung ke video.
David Kawena (disuarakan oleh Jason Scott Lee dan Dee Bradley Baker): pacar Nani. David adalah seorang peselancar yang hebat. Sama seperti halnya Nani, ia juga memiliki kesulitan mencari pekerjaan. David adalah salah seorang dari 4 manusia di luar keluarga Lilo (ketiga yang lainnya adalah Victoria, Cobra Bubbles, dan kemudian Mertle) yang tahu soal adanya makhluk asing dan eksperimen Jumba.
Yuki, Elena, dan Teresa: Pengekor Mertle yang terdiri dari Yuki (disuarakan oleh Lili Ishida), Elena (Jillian Henry), dan Teresa (Kali Whitehurst). Mereka biasanya bepergian secara berkelompok, dan jarang mengatakan apa-apa kecuali secara serempak menyahut "Yeah!" untuk mengiyakan Mertle. Mereka sebenarnya mungkin menyukai Lilo bila tidak dipengaruhi Mertle.
Grand Councilwoman (disuarakan oleh Zoe Caldwell): pemimpin Federasi Galaksi yang mengusir Stitch dalam film Lilo & Stitch. Ia kemudian setuju untuk menjadikan Lilo dan Stitch sebagai pemburu resmi semua eksperimen yang terlepas.
Keoni Jameson (disuarakan oleh Shaun Fleming): Keoni adalah anak laki-laki berpembawaan tenang yang disukai Lilo. Binatang peliharaannya adalah Percy (Experiment 006).
Mr. Jameson: ayah dari Keoni, dan pada beberapa kesempatan, majikan Nani. Pemilik beberapa usaha di Kauai, termasuk Hotel Birds of Paradise.
Officer Kaiiko: polisi yang mengenal Lilo, dan sering membantu ketika Lilo tidak ditemani Nani.
Victoria (disuarakan oleh Daveigh Chase dan Alyson Stoner): teman baru (manusia) yang ditemui Lilo di episode "Swapper". Victoria juga ikut dalam kelas hula bersama Lilo. Binatang peliharaannya adalah Snooty (Experiment 277).
Mrs. Hasagawa (disuarakan oleh Amy Hill): wanita tua pemilik kios buah. Beberapa eksperimen tinggal bersama Mrs. Hasegawa.
