Hugo Cabret je neobyčejný kluk, který po otcově smrti žije na pařížském vlakovém nádraží u strýce alkoholika, jenž tu pracuje jako seřizovač nádražních hodin. Po tátovi Hugo zdědil vynalézavost a robota s klíčovou dírkou ve tvaru srdce, který možná ožije, pokud se do ní vloží ten správný klíč, a předá chlapci...
Příběh mladého chlapce na Středozápadě je vyprávěn současně s příběhem o mladé dívce v New Yorku před padesáti lety, protože oba hledají stejné tajemné spojení.