Paris, Winter 1931: Nach dem Tod von Vater (Jude Law) und Onkel (Ray Winstone) lebt der zwölfjährige Hugo Cabret (Asa Butterfield) als Waise in den Hohlräumen des Gemäuers eines Pariser Bahnhofs. Hier kümmert er sich – was zuvor sein Onkel tat – um all die Bahnhofsuhren, die aufgezogen und unterhalten sein wollen. Ständig ist er auf der Flucht vor dem hinkenden Stationsvorsteher (Sacha Baron Cohen) der, zusammen mit seinem Dobermann, Jagd auf herumstreunende Kinder macht.
In seinem Refugium, in einem Dachzimmer hoch über den Geleisen, arbeitet Hugo ausserdem daran, eine defekte Automatenfigur, die sein Vater einst aus dem Museum mitgebracht hatte, wieder in Gang zu bringen. Er möchte nämlich herausfinden, welches Geheimnis der Automaton mit dem Schreibstift in der Hand für ihn bereithält. Sind es Nachrichten seines Vaters aus dem Jenseits?
Für die Reparaturarbeiten entwendet Hugo immer wieder einmal Zahnrädchen und andere Ersatzteile beim Spielzeughändler Georges (Ben Kingsley), der allerlei Krimskrams in einem kleinen Laden im Bahnhof verkauft. Als George den Dieb eines Tages beim Abstauben erwischt, nimmt er ihm das Notizbuch ab, in dem Hugos Vater alles, was zur Reparatur des Automaten nötig ist, in Skizzen festgehalten hat.
Gemeinsam mit Georges' abenteuerlustiger Enkelin Isabelle (Chloe Grace Moretz) setzt Hugo in der Folge alles daran, das Notizbuch wiederzubekommen. Dabei stösst er auf ein erstaunliches Geheimnis, das die Vergangenheit des Spielzeugverkäufers, jene seines Vaters und die des Kinos schicksalshaft miteinander verbindet.
