小男孩雨果（阿沙·巴特菲爾德Asa Butterfield 飾）天生機械控。他寄宿巴黎火車站鐘樓，偶爾會去玩具店偷些零件，用來修補父親（裘德·洛Jude Law 飾）留下的機器人。一次行竊，他被店主喬治?梅里埃（本·金斯利Ben Kingsley 飾）當場抓獲，因忌憚帶獵狗的巡警（薩莎·拜倫·科恩Sacha Baron Cohen 飾）只得就範。喬治拿走了雨果父親的遺物——一本機械手冊，令他心急如焚，他尾隨至喬治家中，結識了養女伊莎貝拉（科洛·莫瑞茲Chlo? Moretz 飾），他懇求她幫自己保住手冊。而伊莎貝拉則覺得此事蹊蹺，於是兩人結伴探秘。修好的機器人作畫的落款卻顯示喬治的名字，讓他們疑心頓起。終於他們發現了喬治家中裝滿畫作的神秘櫃子，並在圖書館的電影書籍中發現了喬治的身世。一位知情人的顯身，讓他們的奇幻冒險更添神秘……