París, anys 30. Hugo (Rosteix Butterfield) és un nen orfe, relojero i lladre que viu entre els murs d'una atrafegada estació de trens parisenca. Ningú sap de la seva existència fins que li descobreix una excèntrica nena (Chloë Moretz) al costat de la qual viurà una increïble aventura...