Hugo Cabret (Asa Butterfield) é um menino de 12 anos que vive escondido em uma estação de trem na Paris dos anos 30, onde cuida da manutenção de gigantescos relógios, função anteriormente exercida por seu tio desaparecido (Ray Winstone). À noite, usando peças de brinquedos que ele furta de uma loja da estação, o menino tenta consertar um autômato, única lembrança que herdou do pai, para desvendar um enigma. Seus planos, porém, correm perigo quando ele é descoberto pelo dono da loja e pela curiosa Isabelle (Chloë Grace Moretz).