Zgodba je postavljena v Pariz, v trideseta leta prejšnjega stoletja. Hugo je 12-leten osiroteli deček, ki po očetovi smrti živi na pariški železniški postaji s svojim vedno pijanim stricem. Od očeta in strica se je deček naučil popravljati in skrbeti za ogromne ure, ki morajo na železniški postaji obratovati brezhibno.
Ko njegov stric nekega dne izgine, se Hugo odloči sam skrbeti za ure na postaji v upanju, da ga pri tem ne bi nihče zalotil. Poleg tega skuša popraviti avtomaton, napravo, ki deluje kot robot in ki je brez posebnega ključa ne more popraviti.
Skupaj s pogumno punco Isabelle se odpravita na dogodivščino z namenom, da najdeta vzrok izginotja njegovega očeta. Edini namig o tem najde pri obolelem lastniku trgovine z igračami in ključavnici v obliki srca, za katero mora najti ključ.