Dans le Paris des années, un jeune garçon orphelin du nom de Hugo Cabret (interprété par Asa Butterfield). Hugo vit dans les combles d'une gare et s'occupe de l'entretien des horloges. Son rêve secret est de restaurer un automate laissé par son père, un automate qui a besoin d'une clé spéciale pour fonctionner. Lorsque Hugo fait la rencontre d'une jeune fille intrépide nommée Isabelle (jouée par Chloë Grace Moretz), ils se lancent ensemble dans une aventure passionnante pour résoudre les mystères qui entourent l'automate. Ils découvrent l'histoire fascinante de Georges Méliès (interprété par Ben Kingsley), un pionnier du cinéma, et l'impact de ses créations sur le monde du cinéma.