Hugo Cabret est orphelin : son père, qui l'élevait, est mort dans l'incendie du musée où il était employé comme horloger. Ses seuls compagnons sont un automate trouvé dans les décombres du musée, sur lequel travaillait son père, et son oncle, un poivrot qui l'héberge dans les combles de la gare. Un jour, l'oncle disparaît. Hugo n'a d'autre solution que de se cacher et de poursuivre le travail de l'oncle (régler les horloges) en priant pour qu'on ne le découvre pas. Car il a un but :
Finir de réparer l'automate de son père. Hugo est persuadé qu'une fois en état de marche, celui-ci lui délivrera un message important. Pour cela, il dérobe chaque jour un jouet à un vieux vendeur, se constituant ainsi une réserve de rouages, de ressorts... Seulement, un matin, le vieil homme le prend la main dans le sac : il lui confisque son carnet de croquis, indispensable à la réparation de l'automate, et l'oblige à travailler pour lui... Grâce à sa nouvelle amie Isabelle, la fille du vieil homme, Hugo finira par réparer l'automate, qui reconstituera sous ses yeux un dessin de Georges Méliès, le créateur du Voyage dans la Lune.
Et il découvrira que le vieux marchand n'est autre que Méliès que tout le monde croyait disparu.