Paris in der 1930ern: Der 12-jährige Waisenjungen Hugo (Asa Butterfield) lebt versteckt im Gewölbe eines riesigen Pariser Bahnhofes. Dort setzt er das Lebenswerk seines verstorbenen Vaters fort und zieht täglich die riesigen Bahnhofsuhren auf. Eines Tages entdeckt er einen rätselhaften beschädigten Roboter, der angeblich in der Uhrmacherwerkstatt seines Vaters konstruiert wurde. Hugo versucht den "Automatenmenschen" zu reparieren und erhält dabei Unterstützung von der gleichaltrigen Isabelle (Chloe Grace Moretz). Er klammert sich an die Hoffnung, dass der Roboter irgendeine Botschaft seines Vaters für ihn bereithält - Martin Scorseses Filmadaption des Romans "Die Entdeckung des Hugo Cabret".