故事发生在上世纪30年代末巴黎一个繁忙火车站，主人公12岁孤儿雨果藏匿与墙壁后的暗窄通道里，会在每个夜晚的烛光下给火车站的27座时钟一丝不苟地上油、校准；死去的父亲给他留下的唯一遗产便是神秘笔记和一台旁人眼中完全是垃圾的机器人，雨果从一本木刻书得知这个机器人可以写字作画——如果有天他能把它修好。

　　影片其他主要角色包括车站玩具店的老板乔治斯、他的孙女伊莎贝拉，以及另外一个有钱人家的小女孩。雨果为了得到修理机器人的零件到玩具店偷东西，最终发现古怪老板原来就是隐姓埋名的乔治·梅里耶，他的《月球旅行记》是雨果父亲生前最喜欢的电影。