Paris in der 1930ern: Der 12-jährige Waisenjungen Hugo lebt versteckt im Gewölbe eines riesigen Pariser Bahnhofes. Dort setzt er das Lebenswerk seines verstorbenen Vaters fort und zieht täglich die riesigen Bahnhofsuhren auf. Eines Tages entdeckt er einen rätselhaften beschädigten Roboter, der angeblich in der Uhrmacherwerkstatt seines Vaters konstruiert wurde. Hugo versucht den Automatenmenschen zu reparieren und erhält dabei Unterstützung von der gleichaltrigen Isabelle. Er klammert sich an die Hoffnung, dass der Roboter irgendeine Botschaft seines Vaters für ihn bereithält.