Paris 1931. Papa Georges (Ben Kingsley) verkauft und repariert in einem Bahnhof aufziehbare Mäuse und anderes Kinderspielzeug. Eines Tages packt er den zwölfjährigen Waisen Hugo Cabret (Asa Butterfield), als dieser ihm etwas am Ladentisch wegnehmen will und zwingt ihn dazu, die Hosentaschen auszuleeren, denn er weiß, dass ihn der Junge bereits mehrmals bestohlen hat. Aus der linken Hosentasche holt Hugo Schrauben und Zahnräder hervor. In der rechten hat er ein Notizbuch mit technischen Zeichnungen. Wo er das gestohlen habe, fragt der greise Spielwarenhändler. Hugo Cabret beteuert, er besitze es rechtmäßig, will aber auch nicht sagen, woher es stammt. Georges entreißt ihm das Notizbuch und droht, es zu verbrennen.

Nachdem er den Laden am Abend geschlossen hat, folgt Hugo ihm, bis der alte Mann in seinem Haus verschwindet und die Tür hinter sich schließt. Hugo wendet sich an ein Mädchen, das er an einem der Fenster sieht und für die Enkelin des Spielzeugverkäufers hält. Sie heißt Isabelle (Chloë Grace Moretz). Ihre Eltern starben, als sie noch klein war; Georges und seine Ehefrau Jeanne (Helen McCrory) haben sie danach aufgenommen. Isabelle verspricht Hugo, dafür zu sorgen, dass das Notizbuch nicht verbrannt wird.

Als Hugo Cabret am nächsten Morgen den Spielzeughändler im Bahnhof nach dem Notizbuch fragt, gibt dieser ihm die in ein Tuch eingeschlagenen verkohlten Überreste eines Buches. Hugo ist verzweifelt. Aber da taucht Isabelle auf und versichert ihm, Papa Georges habe das Notizbuch nicht verbrannt. Sie nimmt Hugo mit in die Buchhandlung von Monsieur Labisse (Christopher Lee) und schwärmt ihm von Abenteuerbüchern vor. Aus Abenteuerlust werde sie ihm helfen, sein Notizbuch zurückzubekommen, sagt sie. Ob sie schon einmal im Kino gewesen sei, fragt Hugo. Das hat Papa Georges ihr streng verboten. Weil Hugo kein Geld hat, öffnet er die Hintertür eines Kinos und nimmt seine neue Freundin mit hinein. Es läuft der Film „Safety Last“. Gerade als die berühmte Szene zu sehen ist, bei der Harald Lloyd am Zeiger einer großen Uhr hängt, werden Hugo und Isabelle vom Kinobesitzer entdeckt und hinausgeworfen.

Mit seinem Vater (Jude Law) war Hugo häufig im Kino. Auf diese Weise trösteten sie sich über den frühen Tod von Hugos Mutter hinweg. Monsieur Cabret arbeitete als Uhrmacher in einem Museum. Dort entdeckte er auf dem Dachboden einen Schreibautomaten, der wie ein Mensch geformt war und von einem Uhrwerk in Bewegung gesetzt werden konnte. Allerdings war er kaputt. Um das Gerät zu reparieren, nahm Cabret es mit nach Hause, und Hugo half ihm bei den Bemühungen, den Automaten wieder in Gang zu bringen. Bevor die Arbeit abgeschlossen war, kam Monsieur Cabret jedoch bei einem Brand im Museum ums Leben.

Hugo wurde von seinem alkoholkranken Onkel Claude Cabret (Ray Winstone) mitgenommen, der unter dem Dach des Bahnhofs hauste und die Aufgabe hatte, die zahlreichen Uhren in dem Gebäude zu warten. Als Onkel Claude dann spurlos verschwand, blieb Hugo allein zurück. Seither zieht er die Uhren auf, ölt die Getriebe und repariert sie, falls erforderlich. Deshalb ist dem Stationsvorsteher (Sacha Baron Cohen) das Fehlen des Uhrenwarts noch gar nicht aufgefallen.

Um zu überleben, stiehlt Hugo Cabret Getränke und Nahrungsmittel in den Bahnhofsläden. Im Spielzeuggeschäft beschaffte er sich Teile, die er für die Reparatur des Schreibautomaten benötigte, den er zusammen mit dem von seinem Vater angelegten Notizbuch über Einzelheiten der Maschine mit in den Bahnhof gebracht hatte. Hugo hofft, dass der Roboter ihm eine Botschaft seines Vaters aufschreibt, sobald er wieder funktioniert. Und dann wäre er auch nicht mehr so allein.

Bei seinen Streifzügen durch den Bahnhof darf Hugo sich nicht von dem Stationsvorsteher erwischen lassen, einem Mann, der nur mit einer Prothese aus Metall gehen kann, weil er im Krieg ein Bein verlor. Er hetzt seinen bissigen Dobermann gern auf elternlose Kinder, die er dann in seinem Büro einsperrt und ins Waisenhaus bringen lässt.

An Isabelles Halskette entdeckt Hugo einen herzförmigen Schlüssel, der in eine entsprechende Öffnung des Schreibautomaten zu passen scheint. Er nimmt sie mit in sein Refugium unter dem Dach des Bahnhofs und setzt die Maschine vor ihren Augen mit dem Schlüssel in Gang. Der Automat zeichnet einen Vollmond mit Gesicht, der im rechten Auge von einer Rakete getroffen wird und schreibt „Georges Méliès“ darunter. Das ist der Name von Isabelles Ziehvater! Was hat der alte Mann mit dem Roboter zu tun, den Hugos Vater im Museum fand?

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Hugo ist zunächst enttäuscht, dass ihm die Maschine keine Botschaft seines Vaters übermittelt, aber Isabelle nimmt ihn aufgeregt mit nach Hause. Als sie Mama Jeanne die Zeichnung zeigen, reagiert die alte Frau bestürzt. Offenbar kennt sie das Motiv. Georges dürfe nichts davon erfahren, schärft sie den Kindern ein und will sie wegschicken, aber in diesem Augenblick hören sie, wie Georges die Tür aufsperrt. Hugo und Isabelle verstecken sich im Schlafzimmer. Dort entdecken sie ein Geheimfach an einem Schrank. Vielleicht liegt das Notizbuch darin. Isabelle steigt auf einen Stuhl, um eine Holzkiste herauszuziehen, aber der Stuhl bricht zusammen, und aus der Kiste wirbeln zahlreiche Filmplakate, darunter auch das Bild mit dem Mond. Um nachzusehen, was da gepoltert hat, reißt Georges Méliès die Tür auf. Er knüllt einige der Filmplakate zusammen und setzt sich verärgert aufs Bett: Die durch die Filmplakate aufgewühlten Erinnerungen quälen ihn.

Hugo und Isabelle suchen in der Bibliothek der Filmakademie ein Buch über die Anfänge des Kinos heraus. Dem entnehmen sie, dass Georges Méliès zu den Filmpionieren gehörte. Er sei tot, heißt es in dem Buch. Zufällig kommt der Autor René Tabard (Michael Stuhlbarg) dazu und ist überrascht, als er hört, dass Georges Méliès noch lebt. Tabard war noch sehr jung (Gulliver McGrath), als ihn sein älterer Bruder, der für Georges Méliès Kulissen baute, immer wieder mit zum Set nahm. Inzwischen hat er alles gesammelt, was er aus dem Nachlass der von Georges Méliès aufgegebenen Filmgesellschaft bekommen konnte.

In Absprache mit Isabelle bringt Hugo den Cineasten zu Georges Méliès‘ Haus. Der Greis ist bereits zu Bett gegangen, weil er sich nicht wohl fühlt. Jeanne will auf keinen Fall, dass er gestört oder gar an alte Zeiten erinnert wird. Aber als René Tabard nicht nur von den Filmen ihres Manns schwärmt, sondern auch von ihr als Schauspielerin, ist sie gerührt und lässt es zu, dass er den mitgebrachten Projektor aufstellt und „Die Reise zum Mond“ vorführt. Ergriffen schaut Jeanne sich den Film ihres Mannes an, in dem sie auch zu sehen ist. Erst am Ende bemerkt sie, dass Georges aus dem Schlafzimmer gekommen ist und hinter ihr steht.

Georges Méliès berichtet von seiner Zeit als Zauberkünstler und Filmemacher. Wegen des Weltkrieges habe er alles aufgegeben müssen, sagt er. Den Schreibautomaten, mit dem er vor seiner Zeit als Filmemacher aufgetreten war, überließ er einem Museum, und die noch vorhandenen Filme verkaufte er Schuhmachern, die das Zelluloid einschmolzen und daraus Absätze machten. Von dem Erlös kauft er den Kiosk im Bahnhof. Ein Happy End gebe es eben nur im Kino, meint Georges Méliès traurig.

Hugo läuft los, um den Schreibautomaten zu holen. Aber im Bahnhof wird er vom Stationsvorsteher erwischt und eingesperrt. Während der Stationsvorsteher mit dem Waisenhaus telefoniert, gelingt es Hugo, das Schloss des Käfigs zu öffnen und zu fliehen. Der Stationsvorsteher und dessen Dobermann jagen Hugo nach. Der klettert durch ein Loch im Zifferblatt einer Uhr ins Freie und hängt vorübergehend am Uhrzeiger wie Harald Lloyd in „Safety Last“. Als er dann mit dem Schreibautomaten noch einmal durch den Bahnhofshalle schleicht, ergreift ihn der Stationsvorsteher erneut, und die Maschine wird dabei auf die Schienen geschleudert. Um den Automaten nicht zu verlieren, springt Hugo ins Gleisbett, obwohl gerade ein Zug einfährt. Der Stationsvorsteher reißt ihn gerade noch rechtzeitig zurück auf den Bahnsteig und rettet ihm das Leben. Allerdings gibt er ihn erst frei, als Georges Méliès und Isabelle dazukommen und versichern, der Junge gehöre zu ihnen und arbeite im Laden mit.

Zu Ehren von Georges Méliès organisiert René Tabard eine große Galavorführung des Films „Die Reise zum Mond“. Das Publikum ist begeistert. Georges Méliès findet sich endlich mit dem Verlust der Filmgesellschaft ab, denn er weiß nun, dass es auch in den nächsten Generationen genügend Cineasten gibt, die seine Leistung würdigen und das Kino am Leben halten.

Der verklemmte Stationsvorsteher bekommt die Blumenverkäuferin Lisette (Emily Mortimer), in die er schon die ganze Zeit über verliebt war. Und Monsieur Frick (Richard Griffiths), den der bissige Dackel der Café-Besitzerin Madame Emilie (Frances de la Tour) nicht in deren Nähe ließ, hat endlich eine Lösung gefunden, wie er mit ihr zusammenkommen kann: Er bringt eine Dackel-Hündin mit. So fügt sich alles zu einem Happy End.