Em 1931, Hugo Cabret (Asa Butterfield) é um menino de 12 anos de idade que vive nas paredes da estação ferroviária Gare Montparnasse, em Paris, mantendo o funcionamento dos grandes relógios do local. Seu pai (Jude Law) é um viúvo e funcionário de museu que o adora, levando-o ao cinema e mostrando a ele sua última paixão antes de morrer num incêndio no museu aonde trabalhava: um autômato (espécie de homem mecânico) que, supostamente, poderia escrever uma mensagem. Após a morte de seu pai, Hugo foi levado por seu alcoólatra tio Claude (Ray Winstone), que, apesar de não ter praticamente nenhum sentimento pelo menino, o ensinou a manter os relógios da estação. Quando Claude desaparece, Hugo continua a manter os relógios enquanto sobrevive roubando comida e suprimentos, temendo que, se o inspetor da estação vigilante (Sacha Baron Cohen) o descobrisse, poderia envia-lo a um orfanato.
Hugo continua o trabalho com o autômato de seu pai, roubando as ferramentas necessárias da loja de brinquedos da estação. Um dia, ele é capturado pelo amargo dono da loja, Papa Georges (Ben Kingsley) que pega o caderno do pai de Hugo (que ele sempre carregava no bolso), fazendo o menino segui-lo até sua casa na tentativa de reaver a herança de seu pai. Na casa dele, ele conhece a afilhada de Georges, Isabelle (Chloë Grace Moretz), que promete ajudá-lo.
No dia seguinte, Georges dá algumas cinzas para Hugo, como se fossem os restos do caderno de seu pai, mas Isabelle diz a ele que o caderno ainda estava intacto. Finalmente, Georges permite Hugo ganhar o seu caderno de volta, se ele trabalhasse para ele todos os dias para pagar todos os itens que Hugo roubou. Durante seu tempo livre, Hugo continua a trabalhar com o autômato. Porém, ao conclui-lo, percebe que ainda está faltando uma parte: uma chave em forma de coração.
Com a amizade entre os dois crescendo, Hugo leva Isabelle ao cinema, algo que Georges nunca deixaria ela fazer, enquanto ela o apresenta a um dono de livraria (Christopher Lee).
Hugo, por fim, leva Isabelle para ver o autômato. Hugo fica surpreso ao descobrir que Isabelle usa a chave como um colar [presente de Mama Jeanne (Helen McCrory). Com a intervenção da chave, o autômato começa a funcionar, desenhando uma cena emblemática do filme "Viagem à Lua" um dos filmes pioneiros de Georges Méliès. Quando o autômato escreve a assinatura finalizando o desenho, Isabelle reconhece a caligrafia de seu padrinho. Eles levam o desenho para casa de Georges. Lá, pedem a madrinha de Isabelle, Mama Jeanne, uma explicação, que ela se nega a dar. Quando Georges chega em casa, Jeanne obriga as crianças a se esconderem em um quarto dos fundos e lá (enquanto tentavam se manter quietos) eles encontram um compartimento escondido em um armário com muitos desenhos de filmes de Méliès. O barulho atrai Georges que, ao se deparar com os seus antigos trabalhos espalhados, fica transtornado.
Algum tempo depois, Hugo e Isabelle discutem sobre Méliès com o dono da livraria, então ele os direciona para um livro sobre a história do cinema. Ao lerem o livro, seu autor, René Tabard (Michael Stuhlbarg), aparece e compartilha seu amor pelo trabalho de Méliès (que ele pensava estar morto, até que é convencido pelas crianças que não). Tabard revela que ele tem a última cópia conhecida do "Viagem à Lua", e Hugo sugere que eles levem o filme para a casa de Georges na noite seguinte.
Na noite seguinte, Jeanne está hesitante sobre deixá-los mostrar o filme até que Tabard reconhece-a como Jeanne d'Alcy, uma atriz linda e freqüente em muitos dos filmes de Méliès. Quando o filme termina, Georges vem de fora, e, emocionado revela ser Méliès, recordando a sua carreira cinematográfica. Ele usou suas habilidades ilusionistas dos tempos de mágico para fazer os efeitos especiais que ele usou para seus filmes, utilizando-se de sua imaginação fértil. No entanto, com o início da Primeira Guerra Mundial, seus filmes perderam popularidade e ele ficou arruinado, vendendo os filmes (que foram derretidos para produzir químicos) e desaparecendo silenciosamente como uma fabricante de brinquedos. Georges, desanimado, acredita que todos os seus materiais de filmes anteriores foram de algum modo destruídos em um incêndio em um museu, levando Hugo recordar do autômato.
Hugo volta para a estação para pegar o autômato (com a intenção de usá-lo para fazer uma surpresa para Georges), mas, antes que ele possa recuperá-lo, ele é descoberto pelo inspetor da Estação que, pouco antes, revela que o corpo de Claude tinha sido descoberto no rio Sena. Durante a perseguição, Hugo sobe na torre do relógio e é forçado a subir nos ponteiros do relógio para se esconder do inspetor. Quando ele vai embora, Hugo rapidamente sobe de volta e pega o autômato, mas é encurralado novamente pelo Inspetor e o autômato é jogado sobre os trilhos ferroviários. Hugo salta para baixo e se recupera a tempo, mas é pego pelo Inspetor. Georges chega, e afirma que Hugo está agora em seu cuidado, e leva-o de volta para casa, junto com o autômato.
Algum tempo depois, um festival de cinema é realizado apresentando mais de 80 filmes recuperados e restaurados de Méliès. Georges, em lágrimas, sobe ao palco e agradece Hugo por sua dedicação. Após o festival, numa festa na casa de Georges, Isabelle começa a escrever um livro sobre a história de Hugo Cabret. O filme termina em uma cena do autômato sentado em uma sala.
