После гибели своего отца-часовщика маленький мальчик Хьюго остается сиротой. От родителя Хьюго достался загадочный механизм — автоматон. Отцу так и не удалось его запустить, но Хьюго случайно находит ключ, который позволяет включить автоматон. Это становится началом увлекательного путешествия, в ходе которого Хьюго обретет новый дом и узнает, кем же на самом деле является владелец магазина игрушек Жорж Мельес.
Действие разворачивается во Франции начала 30-х. Главный герой, мальчик-сирота Хьюго, проживающий в стенах парижского вокзала со своим дядей-алкоголиком, случайно находит таинственный механизм, созданный знаменитым фильммейкером Жоржем Мелье. Эта находка запускает цепную реакцию удивительных событий, которые в конечном итоге помогут Хьюго разгадать тайну его покойного отца.