در سال 1931 پاریس ، هوگو کابرت 12 ساله با پدر بیوه خود ، ساعتی که در یک موزه کار می کند ، زندگی می کند. پدر هوگو یک اتومات شکسته پیدا می کند – یک مرد مکانیکی که برای نوشتن با قلم خلق شده است. او و هوگو سعی می کنند آن را تعمیر کنند و کارهای خود را در یک دفترچه ثبت می کنند. وقتی پدرش در آتش می میرد ، هوگو می رود تا با برادر الکلی پدرش ، عمو کلود ، که ساعت ها را در ایستگاه راه آهن گره مونپارناس نگهداری می کند ، زندگی کند. وقتی کلود مفقود شد ، هوگو به ترس از این که در صورت کشف غیاب کلود ، بازرس ایستگاه گوستاو دسته ، او را به آنجا بفرستد ، به حفظ ساعت ادامه می دهد. هوگو تلاش می کند اتومات را با قطعات دزدیده شده تعمیر کند ، معتقد است که این پیام حاوی پیامی از پدرش است ، اما دستگاه به یک کلید قلب شکل نیاز دارد.
هوگو در حال دزدیدن قطعات از یک فروشگاه اسباب بازی گرفتار می شود و صاحب آن ، ژرژ ، دفترچه خود را با تهدید به نابودی می گیرد. ایزابل ، ایزدبانوی ژرژ پیشنهاد می کند که هوگو با ژرژ مقابله کرده و خواستار پس گرفتن آن شود. ژرژ پیشنهاد می کند که هوگو به عنوان پاداش در فروشگاه اسباب بازی هایش کار کند و بعد از مدتی ممکن است دفترچه را برگرداند. هوگو علاوه بر کارش در حفظ ساعت ، کار را نیز می پذیرد و شروع به کار می کند. ایزابل و هوگو سریع دوست می شوند و هوگو از دیدن پوشیدن یک کلید قلبی شکل که توسط ژرژ به وی داده شده ، متعجب می شود. هوگو اتومات را به او نشان می دهد که آنها را با کلید فعال می کنند. صحنه ای از فیلم سفر به ماه را ترسیم می کند ، زمانی که پدرش برای هوگو توصیف کرد. ایزابل امضای این نقاشی را به عنوان “Georges Méliès” – پدرخوانده خود مشخص می کند. او دزدکی هوگو را وارد خانه خود می کند ، جایی که آنها یک پنهان نقاشی پیدا می کنند ، اما توسط ژرژ کشف می شود.
چند روز بعد ، در کتابخانه آکادمی فیلم ، هوگو و ایزابل کتابی در مورد تاریخ سینما پیدا کردند که از همکاری های ملیس تعریف می کند. آنها با نویسنده کتاب ، رنه تابارد ، کارشناس فیلم ، که از شنیدن زنده یاد ملیس متعجب شده است ، ملاقات می کنند ، زیرا او بعد از جنگ جهانی اول به همراه نسخه های فیلم هایش ناپدید شد. رنه که از فرصتی برای ملاقات دوباره با ملیس هیجان زده شده است ، موافقت می کند که ایزابل و هوگو را در خانه ژرژ ملاقات کند تا نسخه خود از سفر به ماه را نشان دهد.
هوگو با یافتن کلید قلبی شکل در مسیرهای راه آهن ایستگاه ، برای بازیابی آن به پایین می افتد و توسط یک قطار خارج از کنترل که ایستگاه را در هم می شکند ، تصادف می کند. او از کابوس بیدار می شود ، اما صدای تیک تیک شومی را از خود می شنود ، می فهمد که او به اتومات تبدیل شده است. هوگو دوباره بیدار می شود: این فقط یک کابوس دیگر بود.
در خانه ژرژ ، همسرش ژان بعد از اینکه رنه وی را به عنوان ژان د آلسی ، بازیگر بسیاری از فیلم های ملیس ، شناخت ، به آنها اجازه ورود می دهد. آنها این فیلم را بازی می کنند ، ژرژ را بیدار می کنند ، که سرانجام متقاعد می شود به جای اینکه از رویاهای از دست رفته خود پشیمان باشد ، موفقیت های خود را گرامی می دارد ژرژ می گوید که ، او به عنوان یک جادوگر صحنه شیفته فیلم های سینمایی بود و از طریق فیلم کمپانی استار خود از فیلم برای خلق آثار خیالی استفاده می کرد. او پس از جنگ به ورشکستگی مجبور شد ، استودیوی خود را بست و فیلم هایش را فروخت. او ابراز تاسف می کند که حتی یک اتومات که او ساخته و به موزه اهدا کرده از بین رفته است. هوگو متوجه می شود این همان چیزی است که او تعمیر کرده است.
هوگو به ایستگاه می رود تا اتومات را بازیابی کند ، اما توسط گوستاو که از مرگ کلود مطلع شده است ، گرفتار او می شود. گوستاو تهدید می کند هوگو را به یتیم خانه خواهد برد. هوگو فرار می کند اما اتومات را روی ریل ها می اندازد. او برای بازیابی آن به پایین می پرد و تقریباً با یک قطار او را رد می کند ، اما گوستاو او و اتومات را نجات می دهد. ژرژ می رسد و به گوستاو می گوید: “این پسر متعلق به من است.”
مدتی بعد ، ژرژ به عنوان استاد آکادمی فیلم معرفی می شود و از طریق ویترین فیلم های خود که توسط رنه بازیابی شده است ، به او ادای احترام می شود. هوگو و خانواده جدیدش در آپارتمان جشن می گیرند و ایزابل شروع به نوشتن داستان خود هوگو می کند.
