1931 Hugo Cabret, ein 12-jähriger Junge, der bei seinem Vater lebt, einem verwitweten, aber liebenswürdigen und hingebungsvollen Uhrmachermeister in Paris. Hugos Vater geht mit ihm ins Kino und liebt vor allem die Filme von Georges Méliès. Hugos Vater verbrennt bei lebendigem Leib in einem Museumsfeuer, und Hugo wird von seinem Onkel, einem alkoholabhängigen Uhrmacher, der für die Wartung der Uhren im Bahnhof Gare Montparnasse verantwortlich ist, mitgenommen. Sein Onkel bringt ihm bei, sich um die Uhren zu kümmern, und verschwindet dann. Hugo lebt zwischen den Mauern des Bahnhofs, wartet die Uhren, stiehlt Essen und arbeitet am ehrgeizigsten Projekt seines Vaters: die Reparatur eines kaputten Automaten - ein mechanischer Mann, der mit einem Stift schreiben soll. Hugo stiehlt mechanische Teile im Bahnhof, um den Automaten zu reparieren, aber er wird von einem Spielzeugladenbesitzer erwischt, der Hugos Baupläne für den Automaten mitnimmt. Dem Automaten fehlt ein Teil - ein herzförmiger Schlüssel. Überzeugt davon, dass der Automat eine Botschaft seines Vaters enthält, unternimmt Hugo verzweifelte Anstrengungen, den Automaten zu reparieren. Er gewinnt die Hilfe von Isabelle, einem Mädchen in seinem Alter und die Patentochter des Spielzeugladenbesitzers. Er führt Isabelle in die Filme ein, die ihr Pate ihr nie gezeigt hat. Isabelle stellt sich heraus, dass sie den Schlüssel zum Automaten hat. Als sie den Schlüssel zur Aktivierung des Automaten benutzen, entsteht eine Zeichnung einer Filmszene, von der Hugo sich erinnert, dass sein Vater ihm davon erzählt hat. Sie entdecken, dass der Film von Georges Méliès, Isabelles Patenonkel, einer frühen - aber heute vernachlässigten und desillusionierten - Kinolegende, geschaffen wurde und dass der Automat eine geliebte Schöpfung von ihm aus seiner Zeit als Zauberer war. Am Ende verbinden die Kinder Georges wieder mit seiner Vergangenheit und mit einer neuen Generation von Kinoliebhabern, die sein Werk zu schätzen gelernt haben.
