Maia Kealoha
Maia Kealoha dá vida à personagem principal, interpretando uma jovem espirituosa criada por sua irmã, cujas lutas contra a solidão são superadas quando ela forma uma amizade improvável com Stitch.
Chris Sanders como Stitch
Chris Sanders reprisará seu papel como a voz de Stitch (também conhecido como Experimento 626), o alienígena azul geneticamente modificado que é adotado por Lilo e se torna seu melhor amigo.
Sydney Agudong como Nani
Sydney Agudong assume o papel de Nani, irmã mais velha e guardiã legal de Lilo.
Billy Magnussen como Pleakley
Billy Magnussen se junta ao elenco como Pleakley, um alienígena do planeta Plorgonar e ex-membro da Federação Galáctica Unida que atua como especialista da organização na Terra.
Zach Galifianakis como Dr. Jumba Jookiba
Zach Galifianakis interpreta o Dr. Jumba Jookiba, o cientista gênio do mal que criou Stitch para causar o caos na galáxia.
Kaipo Dudoit como David Kawena
Kaipo Dudoit interpretará David Kawena, interesse amoroso de Nani.
Courtney B. Vance como Cobra Bubbles
Courtney B. Vance interpretará Cobra Bubbles, um ex-agente da CIA que se tornou assistente social de Lilo.
Hannah Waddingham como Grande Conselheira
Hannah Waddingham interpreta a Grande Conselheira, a chefe da Federação Galáctica que instrui Jumba e Pleakley a recuperar 626 no início do filme de animação, apenas para depois completar a missão ela mesma.
