Este filme trata sobre las aventuras de un pequeño y tierno niño llamado Hugo Cabret. El padre de Hugo, lo llevaba constantemente al cine, a ver las películas de Georges Melies, pues amaba las películas que el hacia. El padre de Hugo muere en un incendio y el pequeño se queda a cargo de su tío, un relojero que es alcohólico y no lo quiere, pero éste le enseña como mantener funcionando todos los relojes de una estación de tren donde trabajaba, y Hugo era quien se encargaba de que los relojes funcionaran; se alimentaba robando comida en los negocios que había en la estación.
En dicha estación había un enigmático juguetero gruñón, que tenia su tienda de juguetes en un negocio de la estación y Hugo le roba a escondidas piezas de reloj, ya que quería reparar un autómata que creía, contenía un mensaje de su padre muerto. A pesar de que Hugo tenía ya la mayoría de las piezas, no logra reparar el autómata, porque necesita una llave de corazón. Hugo obtiene la ayuda de Isabelle, una niña ahijada del propietario de la juguetería. Hugo le muestra lo que es el cine a Isabelle, cosa que su padrino siempre le prohibió. Casual y casi increíblemente, Isabelle tiene la llave que necesita el autómata. Cuando los niños utilizan la llave para activar al muñeco mecánico, este hace un dibujo que representa la escena de una película de la cual Hugo recuerda haber oído hablar a su padre. Descubren que la película fue creada por Georges Melies, quien es el padrino de Isabelle y dueño de la juguetería, quien había sido una leyenda del cine, y que el autómata era una preciada creación suya, en la época en la que fue mago. Finalmente, los niños enlazan nuevamente a Georges con su pasado, a pesar de que no le gustaba recordarlo debido a que por la Guerra sus producciones ya no tenían éxito, y así vuelve a encontrarse con toda una nueva generación de aficionados al cine que han aprendido a apreciar sus increíbles y maravillosas creaciones.