故事發生在上世紀30年代末巴黎一個繁忙火車站，主人公12歲孤兒雨果藏匿於牆壁後的暗窄通道里，會在每個夜晚的燭光下給火車站的27座時鐘一絲不苟地上油、校準；雨果也有過衣食無憂其樂融融的生活。由於母親過世得早，他父親撫養他長大，父子倆親密無間。身為鐘錶匠的父親擅長製造和修理精巧的機械，雨果耳濡目染，也對這一行充滿熱情，並學會了一些技能。一天，父親從博物館拿回一個壞了的機器人，據說只要修好它，它就能自己寫字，傳遞資訊。雨果和父親開始一起修理機器人，但沒想到一場突發的火災奪取了父親的生命。壞掉的機器人和父親親筆寫下的維修筆記因此成為雨果最寶貴的財產。

　　後來他為了修機器人在火車站的禮物店偷一些小零件，被店主發現了並且拿走了父親留給他的維修筆記本，他遇上了好心的店主的女兒和到處抓無監護人的孩子的少了一條腿的警察。店主留他在禮物店打工彌補他偷零件的錢，他修好了機器人，機器人畫了一幅畫，他以為這是付清留給他的最後的禮物，可惜不是，上面的簽名是店主的名字。最後，他和店主的女兒去圖書館找電影，發現店主是玄幻電影的開創者，可是因為第二次世界大戰破壞了他們的電影夢從而把這深深的痛埋在心裡。後來，店主收留了小男孩，他們過上了愛電影、回味就電影、愛機器的快樂日子，另外，那個傻瓜警察也裝了一條很好的機械腿，是個很美滿的甜蜜的結局。