En el París de 1931, Hugo Cabret, de 12 años, vive con su padre viudo, un relojero que trabaja en un museo. El padre de Hugo encuentra un autómata roto, un hombre mecánico creado para escribir con una pluma. Él y Hugo intentan repararlo, documentando su trabajo en un cuaderno. Cuando su padre muere en un incendio, Hugo se va a vivir con el hermano alcohólico de su padre, el tío Claude, que se encarga del mantenimiento de los relojes de la estación de Montparnasse. Cuando Claude desaparece, Hugo continúa con el mantenimiento de los relojes, temiendo que el inspector de la estación, Gustave Dasté, le eche si se descubre la ausencia de Claude. Hugo intenta reparar el autómata con piezas robadas, creyendo que contiene un mensaje de su padre, pero la máquina necesita una llave con forma de corazón.

Hugo es sorprendido robando piezas en una juguetería, y el dueño, Georges, le quita el cuaderno amenazando con destruirlo. Isabelle, la ahijada de Georges, sugiere que Hugo se enfrente a Georges y le exija que se lo devuelva. Georges le propone a Hugo que trabaje en su juguetería como recompensa, y después de un tiempo podría devolverle el cuaderno. Hugo acepta y comienza a trabajar, además de su trabajo de mantenimiento de los relojes. Isabelle y Hugo se hacen rápidamente amigos, y Hugo se asombra al ver que ella lleva una llave en forma de corazón, regalada por Georges. Hugo le muestra el autómata, que activan con la llave. Dibuja una escena de la película de 1902 Un viaje a la Luna, que en su día le describió su padre a Hugo. Isabelle identifica la firma del dibujo como la de "Georges Méliès", su padrino. Hace entrar a Hugo en su casa, donde encuentran un escondite de dibujos, pero son descubiertos por Georges.

Varios días después, en la Biblioteca de la Academia de Cine, Hugo e Isabelle encuentran un libro sobre la historia del cine que elogia las contribuciones de Méliès. Conocen al autor del libro, René Tabard, un experto en cine que se sorprende al saber que Méliès está vivo, ya que desapareció tras la Primera Guerra Mundial junto con las copias de sus películas. Entusiasmado por la posibilidad de reencontrarse con Méliès, René acepta reunirse con Isabelle y Hugo en casa de Georges para mostrarles su copia de Un viaje a la Luna.

Al encontrar la llave en forma de corazón en las vías del tren de la estación, Hugo baja a la vía para recuperarla y es arrollado por un tren fuera de control que atraviesa la estación. Se despierta de la pesadilla, pero oye un siniestro tic-tac que emana de sí mismo, y descubre que ha sido convertido en autómata. Hugo vuelve a despertarse: sólo era otra pesadilla.

En la casa de Georges, su esposa Jeanne les permite entrar después de que René la reconozca como Jeanne d'Alcy, actriz de muchas de las películas de Méliès. Ponen la película y despiertan a Georges, que por fin se convence de que debe valorar sus logros en lugar de lamentar sus sueños perdidos. Georges cuenta que, como mago de teatro, estaba fascinado por el cine y que utilizaba el cine para crear obras imaginativas a través de su Star Film Company. Obligado a la quiebra tras la guerra, cerró su estudio y vendió sus películas. Se lamenta de que incluso un autómata que construyó y donó a un museo se haya perdido; Hugo se da cuenta de que es el que ha reparado.

Hugo corre a la estación para recuperar el autómata pero es atrapado por Gustave, que se ha enterado de la muerte de Claude. Gustave amenaza con llevar a Hugo al orfanato. Hugo huye y consigue evadir a Gustave escondiéndose en la cara exterior de la torre del reloj, en precario equilibrio a cientos de metros del suelo. Tras bajar, Hugo corre para escapar de la estación, pero se le cae el autómata a las vías. Salta para recuperarlo y casi es arrollado por un tren, pero Gustave lo salva a él y al autómata. Georges llega y le dice a Gustave: "Este niño me pertenece".

Tiempo después, Georges es nombrado profesor de la Academia de Cine, y se le rinde homenaje mediante una muestra de sus películas recuperadas por René. Hugo y su nueva familia lo celebran en el apartamento, e Isabelle comienza a escribir la propia historia de Hugo.