Paris. 1931. Dans les combles d'une gare, dont il est chargé de remonter les pendules, vit misérablement un jeune orphelin. C'est le touchant Hugo Cabret, qui se trouve, à douze ans, livré à lui-même depuis que son ivrogne d'oncle s'est volatilisé. Ce garçon réussit tristement à s'en sortir, en volant ici et là de quoi vivre... mais aussi de quoi réparer un mystérieux et précieux automate endommagé. Précieux ? Absolument ! Car c'est sur cet homme mécanique, retrouvé dans les recoins du grenier d'un vieux musée, que travaillait, avant de mourir, son père horloger. Hugo, persuadé comme ce dernier, que cet automate, une fois réparé, pourra lui délivrer un message secret, veut tout faire pour réussir à le faire fonctionner.

C'est chez un vieux vendeur de jouets qu'il chaparde une multitude d'objets qu'il démonte pour récupérer maints petits mécanismes dont il a besoin pour ses réparations. Mais un jour le marchand du kiosque à jouets l'attrape la main dans le sac et furieux, lui confisque, le carnet de croquis de son père indispensable à la réparation de l'automate et dont il ne se sépare jamais, en le menaçant même de le brûler...

Cette rencontre entre ce vieillard et ce petit garçon solitaire, si elle ne débute pas sous les meilleurs auspices, va devenir, grâce à Isabelle, une petite fille justement élevée par ce vieux marchand de jouets qu'elle appelle « Papi Georges », une rencontre extraordinaire...