故事开始于上个世纪三十年代的巴黎，一个十二岁的孤儿雨果·卡布里特（阿沙·巴特菲尔德 饰演）住在巴黎旅客拥挤的火车站。他每天的工作就是给巴黎巨大的时钟上发条，保证它们正常运转。不过，对雨果来说有比这些更重要的事情，那就是他父亲留下的一个发条机器人，它在一次火灾中被损坏了。雨果认为在这个神秘的机器人中，蕴藏了父亲传达给他的讯息，而他毕生的目标就是让这个机器人再度工作起来。每天，雨果不仅要工作、要修复机器人，还要躲避专门在火车站抓捕流浪儿的管理员（萨莎·拜伦·科恩 饰演）。在一次逃跑的路上，他撞见了一名古怪的女孩伊莎贝尔（克洛伊·莫瑞兹 饰演），发现她胸前配戴着可以开启机器人的心型钥匙。他们一起来到雨果的栖身处，用钥匙启动了机器人，惊讶地看着它开始绘画神秘的图案。这些图案指引两个孩子开始了他们的冒险。在历经艰险的过程中，雨果认识了乔治·梅里爱（本·金斯利 饰演），发现他与机器人有着千丝万缕的联系……LadyInSatin/文