Hugo Cabret, 12 ans, est orphelin. Son oncle, qui l'hébergeait dans les combles d'une 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...