在巴黎火车站二十七座时钟后墙的暗窄通道里，十二岁的男孩雨果一直过着不为人知的秘密生活。孤儿、守钟人和小偷──雨果以为自己终将以这三重身分悲惨的生活下去，甚至再也无法踏出这座车站……除非，他能修好那个会写字的机器人！
雨果的爸爸生前是个钟表匠，曾在工作的博物馆里发现一个坏了的但精致巧妙的机器人，而雨果的父亲恰恰在修理这个机器人的过程中，在博物馆的一场离奇的大火中神秘死亡。雨果见到这个被当作垃圾丢弃的机器人之后，就有一种预感，他必须修好这个机器人，那样就可以读到爸爸预留的信息，明白父亲想要告诉自己的一切。
为了修理机器人，雨果经常去玩具店老人那里偷取玩具，以便拆解出更多适合机器人的零件。不料却因此引出更复杂、更惊人的秘密！雨果的命运，也随之发生了翻天覆地的变化。魔术、电影、梦想……构成了这个复杂神奇的悬疑故事。