In Parijs woont Hugo tussen de muren van een druk treinstation. Sinds de dood van zijn vader wordt hij opgevoed door zijn alcoholverslaafde oom die verantwoordelijk is voor het onderhoud van alle stationsklokken. Hugo leert alles over het werk en houdt zich daarnaast voornamelijk bezig met het stelen van onderdelen voor een mysterieuze machine van zijn vader. De weesjongen is ervan overtuigd dat als hij dat apparaat kan repareren, er een boodschap van zijn vader uit zal komen. Als zijn oom verdwijnt, staat Hugo er weer alleen voor en neemt hij geruisloos het werk over. Ondertussen gaat hij samen met zijn vriendinnetje Isabelle op zoek naar het allerlaatste onderdeel van zijn vaders machine: een hartvormige sleutel.