20世纪30年代的巴黎，在父亲死后，12岁的孤儿雨果被交给他的叔叔照顾，他的工作是维护火车站的27座时钟工作正常。雨果住在火车站的高墙内，在熙攘的人群中穿梭，藏身于大钟后方，冷眼观察来往过客，藏着满脑子秘密。他那死去的父亲给他留下的唯一遗产，就是一个坏掉的机器人，要修好它，雨果必须找到一把心形的钥匙，他相信这是父亲给他留下的信息。

　　雨果在火车站里偷取零件时，被火车站的玩具店老板乔治抓了个正着，因此结识了乔治的教女伊莎贝拉。出人意料的是，伊莎贝拉刚好有一把心形钥匙，靠着这把钥匙，雨果发现了机器人中藏着的秘密，更让他惊讶的是，原来玩具店老板就是当时已被人遗忘的电影先驱乔治·梅里埃，他的电影曾让雨果和他的父亲深深痴迷。