Hugo Cabret forteller historien om en 12 år gammel foreldreløs gutt som bor inne i veggene på en stor togstasjon i 1930-tallets Paris. Hans eneste venn er en mystisk, menneskelignende maskin faren har etterlatt ham. Hugo er overbevist om at innretningen rommer en hemmelig beskjed fra hans avdøde far, hvis han kan få den kompliserte maskinen til å virke.