Paris zu Beginn der 1930er Jahre: In Pariser Bahnhof Gare Montparnasse lebt der Junge Hugo Cabret (Asa Butterfield), wobei „in“ durchaus wörtlich zu nehmen ist – Hugo hält sich in den Zwischenwänden des Gebäudes versteckt, nachdem sein Vater (Jude Law) auf tragische Weise ums Leben gekommen ist. Des Vaters Vermächtnis scheint sich in einer mechanischen Aufziehpuppe, einem Automaton, zu verbergen, doch der Schlüssel zum herzförmigen Schloss fehlt. Eine Antwort zum Rätsel könnte der ebenso mysteriöse Spielwarenhändler Georges Méliès (Ben Kingsley) bereithalten, der im Bahnhof einen Spielzeugladen unterhält und ein dunkles Geheimnis zu hüten scheint. Hilfe erhält Hugo Cabret unverhofft durch die vorwitzige Isabelle (Chloë Grace Moretz). Diese ist auch vonnöten, denn Gefahren lauern auf der Suche nach des Rätsels Lösung immer wieder, unter anderem in Gestalt des misstrauischen Bahnhofaufsehers (Sacha Baron Cohen).