Die Geschichte von HUGO CABRET spielt im Jahr 1931 unter den Dächern von Paris: Der 12-jährige Waisenjunge Hugo (Asa Butterfield) lebt alleine in den Gemäuern eines gigantischen Pariser Bahnhofs. Seit sein Vater (Jude Law), ein talentierter Uhrenmacher, bei einem Brand ums Leben gekommen ist, wohnt Hugo auf dem Dachboden hinter einer großen Bahnhofsuhr. Denn statt zur Schule zu gehen, möchte Hugo die Tradition seines Vaters fortführen:

Er kümmert sich um alle Bahnhofsuhren und macht täglich seinen Kontrollweg durch die großen Hallen, um sie in Schuss zu halten und aufzuziehen. Dabei muss er sich vor dem strengen Stationsvorsteher (Sacha Baron Cohen) in Acht nehmen, der keine Chance auslässt, seinem Geheimnis auf die Spur zu kommen. Hugos einzige Erinnerungsstücke an seinen Vater sind ein rätselhaftes Notizbuch und ein kaputter Roboter - eine Art Aufziehfigur -, die Hugos Vater vor seinem Tod in seiner Uhrmacherwerkstatt zu reparieren versuchte.

So lebt Hugo zwischen tickenden Uhren und mysteriösen Notizen, bis er eines Tages auf die neugierige Isabelle (Chloe Moretz) stößt, die sein Leben auf magische Weise verändern wird: Isabelle trägt einen herzförmigen Schlüssel um den Hals, der den Roboter zum Leben erweckt und dadurch eine rätselhafte Nachricht seines Vaters enthüllt ... und ehe Hugo sich versieht, befindet er sich mittendrin in einem fantastischen und zugleich gefährlichen Abenteuer.

Mit Hilfe von Isabelle und ihrem mürrischen Großvater (Ben Kingsley) kommt er einem außergewöhnlichen Geheimnis auf die Spur, das seine Herkunft und sein Schicksal für immer verändern wird...