Hugo Cabret adalah seorang anak yatim yang diam-diam tinggal di sebuah stasiun kereta api di Paris dan bertugas menjaga jam-jam besar di sana. Setelah menemukan sebuah automaton misterius peninggalan ayahnya, Hugo berusaha memperbaikinya karena yakin benda tersebut menyimpan pesan penting. Petualangannya membawanya bertemu Isabelle dan seorang pemilik toko mainan tua yang ternyata memiliki hubungan dengan rahasia automaton tersebut. Perjalanan Hugo kemudian membuka kisah tentang kehilangan, persahabatan, mimpi, serta sejarah awal perfilman. Cerita disampaikan melalui perpaduan narasi dan ilustrasi yang menjadi bagian penting dari alurnya.