Året är 1931. Den 12-årige Hugo Cabret (Asa Butterfield) lever ett hemligt liv inne i väggarna på Paris-Montparnasse järnvägsstation. Hans far (Jude Law) har nyligen avlidit och Hugo sedan omhändertagits av farbror Claude (Ray Winstone) som givit honom i uppgift att sköta klockorna på järnvägsstationen.
När Claude försvinner måste Hugo ständigt undvika att bli upptäckt av stationsvakten Gustave (Sacha Baron Cohen) för att inte blir skickad till ett barnhem.
Medan Hugo lever på att stjäla mat och sköta klockorna försöker han att lösa en gåta som kretsar kring en mekanisk robot. Han får dock problem när den buttra leksaksbutiksägare Georges (Ben Kingsley) får tag på hans anteckningsbok. När Georges tittar i den blir han känslomässigt påverkad och vägrar att lämna tillbaka den. Hugo blir snart god vän med Georges guddotter Isabelle (Chloë Grace Moretz) som blir intresserad av Hugos jakt på svaret på gåtan och bestämmer sig för att hjälpa honom. Snart visar det sig att Georges spelar en större roll i mysteriet än vad både Hugo och Isabelle hade kunnat ana.
