París, años 30. Hugo (Asa Butterfield) es un niño huérfano que vive escondido en una estación y se ocupa de arreglar relojes. Se verá envuelto en una misteriosa aventura cuando intente reparar un robot estropeado. Un día conoce a una chica (Chloë Moretz) que tiene la llave que podría resolver el misterio del robot...