Filmen handler om Hugo Cabret (spilt av Asa Butterfield), en foreldreløs tolvåring som bor og arbeider på jernbanestasjonen Gare Montparnasse i Paris tidlig på 1930-tallet, og hans forhold til den bitre og gåtefulle eieren av en lekebutikk på stasjonen (spilt av Ben Kingsley). Sammen med butikkeierens fadderbarn Isabelle (spilt av Chloë Grace Moretz) forsøker Hugo å løse et mysterium knyttet til en skrivende menneskeautomat og faren som døde i en museumsbrann. Butikkeieren viser seg til sist å være den tidligere filmpioneren Georges Méliès.