小男孩雨果（阿沙·巴特菲尔德 饰）天生机械控。他寄宿在巴黎火车站钟楼，偶尔会去玩具店偷些零件，用来修补父亲留下的机器人。一次行窃，他被店主乔治·梅里埃（本·金斯利 饰）当场抓获，因忌惮带猎狗的巡警（萨莎·拜伦·科恩 饰）只得就范。乔治拿走了雨果父亲的遗物：一本机械手册。这令他心急如焚，他尾随至乔治家中，结识了养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹 饰），他恳求她帮自己保住手册。而伊莎贝拉则觉得此事蹊跷，于是两人结伴探秘。修好的机器人作品的落款却显示乔治的名字，让他们疑心顿起。终于他们发现了乔治家中装满画作的神秘柜子，并在图书馆的电影书籍中发现了乔治的身世。一位知情人的现身，让他们的奇幻冒险更添神秘……