Paris, anos 30. Hugo Cabret é um órfão que vive escondido nas paredes da estação de trem. Ele guarda consigo um robô quebrado, deixado por seu pai. Um dia, ao fugir do inspetor, ele conhece Isabelle, uma jovem com quem faz amizade. Logo Hugo descobre que ela tem uma chave com o fecho em forma de coração, exatamente do mesmo tamanho da fechadura existente no robô. O robô volta então a funcionar, levando a dupla a tentar resolver um mistério mágico.