Paris, anos 30. Hugo Cabret (Asa Butterfield) é um órfão que vive escondido nas paredes da estação de trem. Ele guarda consigo um robô quebrado, deixado por seu pai (Jude Law). Um dia, ao fugir do inspetor (Sacha Baron Cohen), ele conhece Isabelle (Chloe Moretz), uma jovem com quem faz amizade. Logo Hugo descobre que ela tem uma chave com o fecho em forma de coração, exatamente do mesmo tamanho da fechadura existente no robô. O robô volta então a funcionar, levando a dupla a tentar resolver um mistério mágico.