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Stitch & Ai acompanha os eventos de Lilo & Stitch (e suas sequências subsequentes de cinema e televisão), mas antes dos eventos do Stitch! Anime. A série mostra Stitch sequestrado por criminosos espaciais que querem usá-lo para ter seu próprio experimento genético destrutivo. No entanto, ele escapa para as montanhas Huangshan da China, onde ele faz amizade com Ai, uma garota local espirituosa que corre o risco de ser separada de sua irmã mais velha Jiejie. Stitch se torna o "cão" da Ai, e os dois ajudam um ao outro a lidar com os problemas do outro; Ai ajuda Stitch a lidar com os criminosos espaciais, enquanto ele a ajuda a ficar nas montanhas com sua família. Jumba e Pleakley mais tarde aparecem inicialmente tentando trazer Stitch de volta para a Federação Galáctica Unida, mas Ai e Jiejie convencem os dois alienígenas a deixar Stitch ficar com eles. Embora Jumba e Pleakley também fiquem para vigiar Stitch e para ajudar ele e sua nova família.