Стич и Ай разворачивается после событий Lilo & Stitch (и последующих фильмов и телесериалов-продолжений вплоть до Leroy & Stitch включительно), но до событий аниме Stitch!. Сериал показывает, как Стича похищают космические преступники, желающие использовать его для создания собственного разрушительного генетического эксперимента. Однако ему удаётся сбежать в китайские горы Хуаншань, где он подружился с Ай — энергичной местной девочкой, которой грозит разлука со старшей сестрой Цзецзе. Стич становится «псом» Ай, и они вдвоём помогают друг другу справляться с проблемами: Ай помогает Стичу разобраться с космическими преступниками, а он помогает ей остаться в горах вместе с семьёй. Позже появляются Джамба и Пликли, изначально намеревавшиеся вернуть Стича в Объединённую Галактическую Федерацию, но Ай и Цзецзе убеждают инопланетян позволить Стичу остаться с ними. Хотя Джамба и Пликли тоже остаются, чтобы присматривать за Стичем и помогать ему и его новой семье, Джамбу тревожит скрытая функция, которую он тайно заложил в программу Стича — функция, заставляющая эксперимент превращаться в гигантского монстра, если его разрушительная программа активируется в крупном городе. Джамба опасается, что эта функция может быть запущена, если космические преступники найдут способ подсознательно манипулировать Стичем, чтобы спровоцировать её срабатывание.
