故事發生在上世紀30年代末巴黎一個繁忙火車站，主人公12歲孤兒雨果藏匿與墻壁后的暗窄通道里，會在每個夜晚的燭光下給火車站的27座時鐘一絲不茍地上油、校準；死去的父親給他留下的唯一遺產便是神秘筆記和一臺旁人眼中完全是垃圾的機器人，雨果從一本木刻書得知這個機器人可以寫字作畫——如果有天他能把它修好。影片其他主要角色包括車站玩具店的老板喬治斯、他的孫女伊莎貝拉，以及另外一個有錢人家的小女孩。雨果為了得到修理機器人的零件到玩具店偷東西，最終發現古怪老板原來就是隱姓埋名的喬治·梅里耶，他的《月球旅行記》是雨果父親生前最喜歡的電影。