À Paris, au tournant des années 1930, Hugo Cabret, un garçon d'une dizaine d'années, vit humblement avec son père, horloger. Il se retrouve orphelin à la suite d'un incendie causant la mort de ce dernier. Il se réfugie alors dans une gare, derrière les horloges qu'il entretient. Il passe le reste de son temps à tenter de réparer l'automate mécanique que son père cherchait à restaurer avant sa mort. Hugo est convaincu que le robot, dont la vocation est d'écrire, renferme un ultime message de son père. Il n'hésite pas à voler viennoiseries ou petits objets, et il est pris en flagrant délit par un vieux monsieur tenant une boutique de jouets, qui lui confisque son carnet de croquis. Hugo, en tentant de récupérer son carnet, rencontre la filleule du marchand de jouets, qui devient alors son amie.
