小男孩雨果天生机械控。他寄宿巴黎火车站钟楼，偶尔会去玩具店偷些零件，用来修补父亲留下的机器人。一次行窃，他被店主乔治当场抓获。乔治拿走了雨果父亲的遗物一本机械手册，令他心急如焚，他尾随至乔治家中，结识了养女伊莎贝拉。于是两人结伴探秘。终于他们发现了乔治家中装满画作的神秘柜子，并在图书馆的电影书籍中发现了乔治的身世。一位知情人的显身，让他们的奇幻冒险更添神秘。