Huérfano y solitario excepto por un tío, Hugo Cabret (Asa Butterfield) vive entre las paredes de una estación de trenes en el París de los años treinta. El trabajo de Hugo es aceitar y mantener los relojes de la estación, pero su tarea más importante es proteger a un autómata y un cuaderno que le dejo su padre (Jude Law) fallecido. Acompañado por la ahijada (Chloe Grace Moretz) de un vendedor (Ben Kingsley) de juguetes, Hugo decide resolver el misterio del autómata y buscar un hogar.