POZOR SPOILER
Na francouzském nádraží je za sklem velkých hodin ukryt malý chlapec Hugo Cabret a pozoruje ruch dole pod ním, hlavně stánek s různými hračkami. Jednoho dne jej prodavač přistihne, když chtěl něco vzít a zabaví mu poznámkový bloček. Hugo pak prchá jsa pronásledován strašlivým nádražním komisařem s umělou nohou a jeho psem. Únik se malému Hugovi podaří. Prodavač vyhrožoval spálením deníku, a to Hugo nesmí dopustit. Sleduje jej tedy až k jeho domu. Zde se setká s dívenkou Isabelle, která onomu prodavači říká papá George. Hugo ji požádá o pomoc a ona ji přislíbí. Hugo vzpomíná, jak s tatínkem - hodinářem zkoušeli zprovoznit kovovou mechanickou loutku muže. Bohužel, nemají klíč do klíčové dírky ve tvaru srdce. Jeho otec však umírá a Huga přebírá do péče strýc Claude. Hugo se má rychle sbalit, a tak bere loutku a strýc jej naučí udržovat všechny hodiny. A tak se malý kluk ocitá na nádraží, kde si občas ukradne něco k jídlu. Znovu jde za prodavačem a chce svůj zápisník, prodavač mu však ukáže již jen popel. Za Hugem přichází Isabelle a vede jej ke knihám. Také tvrdí, že zápisník je stále na světě a poradí Hugovi další návštěvu u papá, má prý být neústupný. Papá chce, aby Hugo opravil pokaženou věc, což Hugo zmákne levou zadní v malé chvíli. A prodavač chce, aby sem za ním začal chodit pracovat. A Hugo začne, ale ihned. Při práci odkoukává různé triky, například karetní a stále marně zkouší opravit kovovou loutku. Taktéž je svědkem zadržení jiného kluka, zlodějíčka, nádražním komisařem. Ten se specializuje na chytání sirotků a jejich dodání do domova. Pak Hugo „pozve“ Isabelle do kina, ale jsou lapeni a vyhozeni. Při následném procházení si Hugo všimne, že Isabelle má na krku klíč ve tvaru srdce, s jeho pomocí loutku „oživí“. Loutka namaluje obrázek z filmu
Georges Méliès. To je i příjmení papá George. Ukazuje se, že klíček patří ženě papá George. A děti najdou ve skříni truhličku se spoustou kreseb. Jejich nález papá vůbec nepotěší. Děti navíc vypátrají, že se o G. Meliésovi v knihách tvrdí, že zahynul za války. Hugo pak nalézá srdcový klíč v kolejišti a vezme si jej, ale přejede jej vlak. Jen klid, byl to jen sen. Ukazuje se, že papá je skutečně onen slavný režisér a jeho žena herečka. Nakonec papá George začíná vyprávět, jak kdysi začínali a jaké to všechno tehdy bylo. Byl to on, kde sestrojil loutku kovového muže. A pak poprvé uvidí film bratří Lumiérů. Začíná budovat vlastní studio a natáčet spoustu filmů. Jsou šťastní, ale do toho přichází válka a na film není nálada. Nikdo už je nechce. George ruší studio, pálí kulisy a filmy prodá chemickému průmyslu. Zbyl jen železný muž a právě toho objevil Hugův otec. Hugo někam jde, ale dozví se, že tělo jeho strýce bylo nalezeno v Sieně, a on tudíž musí putovat do dětského domova. Povídá to právě nádražní inspektor. Hugo je jím sice lapen a zavřen, ale zdaří se mu útěk. Je však pronásledován, a to jak inspektorem, tak i jeho psem. Uniká a vleze si na rafiku od hodin, hodně vysoko, stejně jako obdivovaný
Harold Lloyd, na kterého chodil s otcem do kina. Vezme železnou loutku a při další honičce mu tato padá do kolejiště. Jde pro ni a prožívá stejnou scénu jako v tom snu, kdy v kolejišti našel klíček. Na poslední chvíli jej vytáhne inspektor. V tom se tam objevuje pan Meliés a chce kluka k sobě…
