当莉洛（黛维·切斯 Daveigh Chase 配音）和史迪奇（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）终于完成了他们的任务之后，史迪奇即将和贾巴博士（大卫·奥根·斯提尔斯 David Ogden Stiers 配音）以及普利凯利（凯文·麦克唐纳 Kevin McDonald 配音）一起返回他们的星球，然而，就在这个节骨眼上，一个名为勒罗伊（克里斯·桑德斯 Chris Sanders 配音）的邪恶试验品浮出了水面。 野心勃勃的汉姆斯特维尔博士（杰夫·贝内特 Jeff Bennett 配音）想要将极为危险的勒罗伊复制成为一支军队，统治整个宇宙。为了粉碎汉姆斯特维尔博士的阴谋，莉洛和史迪奇再度合作，他们所要面对的，是和往日不同的，强大而又危险的敌人。

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。

5岁的女孩莉萝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，并帮他取名史迪奇。其实史迪奇并不是什么流浪狗，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，史迪奇和莉萝慢慢建立了深厚的感情。然而此时，追捕史迪奇的外星人发现了史迪奇藏身地球，为了逼他就范，他们绑架了莉萝。为了救回好朋友，史迪奇决定尽力一拼！

圣诞老人斯科特（蒂姆·艾伦 Tim Allen 饰）决定举办一场盛大的家庭聚会，这一次，他请来了妻子卡罗尔（伊丽莎白·米切尔 Elizabeth Mitchell 饰）的父母，好让他们一家人团聚。与此同时，卡罗尔的腹中已经怀上了斯科特的骨肉，他正在非常激动的情绪之中等待着这个小生命降临。 那边厢，克隆圣诞老人杰克（马丁·肖特 Martin Short 饰）一直没有放弃过取代斯科特的幻想，他决定趁着这个节骨眼，让他的阴谋卷土重来。斯科特带领儿子查理（艾力克·洛伊德 Eric Lloyd 饰）、前妻劳拉（温迪·古逊 Wendy Crewson 饰）、矮人首领柯蒂斯（史宾塞·布瑞斯林 Spencer Breslin 饰）等朋友们，一起对抗杰克的诡计。

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。 就在莉洛为了参加比赛努力训练之时，史迪奇的身体开始出现一些奇怪的征兆，这些征兆从小小的麻烦演变成为了大大的混乱，再发展下去，甚至有可能威胁到史迪奇的生命安全！为了保护心爱的家人，莉洛决定去寻找发明了史迪奇的博士贾巴（大卫·奥根·斯提尔斯 David Ogden Stiers 配音），这位聪敏智慧的博士能否解决史迪奇身上的麻烦呢？

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！