En 1931, Hugo Cabret, un petit orphelin de 12 ans, vit dans les combles de la gare Montparnasse, à Paris. Il occupe ses journées à en remonter les horloges. Mais son rêve secret est ailleurs. Son père lui a laissé un curieux automate inachevé qu'Hugo voudrait voir fonctionner. Il lui manque une pièce essentielle, une clef en forme de coeur. Sa quête n'empêche pas Hugo de se lier avec une autre orpheline, Isabelle, dont s'occupe un vieil homme, vendeur de jouets dans un des magasins de la gare. Hugo découvre que, même s'il n'en parle jamais, ce vieil homme n'est pas n'importe qui. Il s'agit de Georges Méliès, le premier cinéaste de fiction du monde, tombé dans l'oubli.