Die Geschichte spielt im Jahr 1931 unter den Dächern von Paris. Der 12-jährige Waisenjunge Hugo (Asa Butterfield) lebt alleine in den Gemäuern eines gigantischen Pariser Bahnhofs. Seit sein Vater (Jude Law), ein talentierter Uhrenmacher, bei einem Brand ums Leben gekommen ist, versteckt sich Hugo auf dem Dachboden hinter einer großen Bahnhofsuhr. Statt zur Schule zu gehen, muss er die Arbeit seines Onkels übernehmen: Täglich macht er einen Kontrollweg durch die großen Hallen, um alle Bahnhofsuhren in Schuss zu halten und aufzuziehen. Dabei muss er sich vor dem strengen Stationsvorsteher (Sacha Baron Cohen) in Acht nehmen, der keine Chance auslässt, seinem Geheimnis auf die Spur zu kommen.

Hugos einzige Erinnerungsstücke an seinen Vater sind ein rätselhaftes Notizbuch und ein kaputter Roboter – eine Art Aufziehfigur – die Hugos Vater vor seinem Tod in seiner Uhrmacherwerkstatt zu reparieren versuchte. So lebt Hugo zwischen tickenden Uhren und mysteriösen Notizen, bis er eines Tages die neugierige Isabelle (Chloe Moretz) trifft, die sein Leben auf sensationelle Weise verändern wird: denn sie besitzt einen Schlüssel, der den Roboter zum Leben erwecken kann. Mit Hilfe von Isabelle und ihrem mysteriösen Onkel (Ben Kingsely), kommt Hugo einem außergewöhnlichen Geheimnis auf die Spur, das sein und das Leben aller Beteiligten auf magische Weise verändern wird...!