Avonturenfilm over het 12-jarige weesjongetje Hugo Cabret, dat in de muren van een druk treinstation in Parijs leeft. Sinds zijn oom spoorloos verdween, heeft hij in het geheim de zorg voor de stationsklokken op zich genomen. Om te overleven moet hij geheimen bewaren en anoniem blijven. Maar wanneer hij in contact komt met een excentriek meisje en een bittere oude man die de speelgoedwinkel in het station beheert, wordt zijn dekmantel in gevaar gebracht.

Een cryptische tekening, notitieblok, gestolen sleutel, mechanische man en een verborgen boodschap van zijn overleden vader vormen de ingrediënten van het mysterie dat Hugo omringt.