小男孩雨果（阿萨·巴特菲尔德 Asa Butterfield 饰）天生具有机械控制能力。 他住在巴黎火车站的钟楼，偶尔去玩具店偷一些零件来修理父亲（裘德·洛饰）留下的机器人。 在一次商店行窃中，他被店主乔治·梅里尔（本·金斯利饰）当场抓住。 他害怕带着猎犬的巡警（萨莎·拜伦·科恩饰），不得不屈服。乔治拿走了雨果父亲的遗物——一本机械手册，这让他焦急万分。 他跟踪来到乔治家，遇见了他的养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹 饰）。 他恳求她帮忙保管好这本手册。 伊莎贝拉感叹此事诡异，于是两人一起前去探寻这个秘密。 修复后的机器人画作上的签名显示了乔治的名字，这让他们产生了怀疑。 最后，他们在乔治家里打造了一个装满画作的秘密柜子，并在图书馆的电影书籍中创作了乔治的人生经历。 知情人的出现，让他们的奇幻冒险变得更加秘密……本片改编自布莱恩·塞尔兹尼克的同名小说，是马丁·斯科塞斯的首部3D代表作。
