1931年、パリ。身寄りのない少年ヒューゴはリヨン駅の時計台の中に隠れ住み、孤独な毎日を送る。そんな彼に大切なのは、亡くなった父親が残した、壊れた“機械人形”。その修理に悪戦苦闘していたヒューゴは駅の構内にあるおもちゃ店で万引きを働き、店主の老人に、人形について書かれた大切な父のノートを取り上げられてしまう。そんなヒューゴだが、老人の養女イザベルと仲良くなり、一緒に機械人形の秘密を探る。