Hugo Cabret, 12 ans, est orphelin. Son oncle, qui l'hébergeait dans les combles de la gare parisienne dont il règle les horloges, a disparu. Depuis, Hugo se cache de peur de finir dans un orphelinat. Le jeune garçon n'a qu'un but : finir de réparer l'automate que son père avait rapporté un jour. Il est persuadé que la machine cassée a un important message à lui délivrer. Un vieux marchand de jouet qui tient une boutique dans la gare a peut-être la solution. Aidé par sa petite fille, Isabelle, Hugo va tenter de découvrir le secret qui peut lier l'automate au mystérieux passé du vieil homme, qui n'est autre que George Méliès.