Hugo e un orfan care locuiește într-o gară, în Parisul anilor 1930. El a învățat de la tatăl și unchiul lui să repare ceasuri și alte dispozitive și se folosește de talentul ăsta ca să mențină în funcțiune ceasurile din gară. Singurul lucru care i-a mai rămas și are legătură cu tatăl lui e un automaton (om mecanic) care nu funcționează fără o cheie specială. Hugo trebuie să găsească cheia ca să deblocheze secretul pe care crede că-l conține. În timpul aventurilor sale, el îi întâlnește pe George Melies, un vânzător care lucrează în gară, și pe fina lui aventuroasă. Hugo află că aceștia au o legătură surprinzătoare cu tatăl lui și cu robotul și descoperă că acesta deblochează niște amintiri pe care bătrânul le-a îngropat înăuntru, legate de trecutul lui.