故事发生在上世纪30年代末巴黎一个繁忙火车站，主人公12岁孤儿雨果藏匿与墙壁后的暗窄通道里，会在每个夜晚的烛光下给火车站的27座时钟一丝不苟地上油、校准；死去的父亲给他留下的唯一遗产便是神秘笔记和一台旁人眼中完全是垃圾的机器人，雨果从一本木刻书得知这个机器人可以写字作画——如果有天他能把它修好。
影片其他主要角色包括车站玩具店的老板乔治斯、他的孙女伊莎贝拉，以及另外一个有钱人家的小女孩。雨果为了得到修理机器人的零件到玩具店偷东西，最终发现古怪老板原来就是隐姓埋名的乔治·梅里耶，他的《月球旅行记》是雨果父亲生前最喜欢的电影。

小男孩雨果（阿沙·巴特菲尔德 Asa Butterfield 饰）天生机械控。他寄宿巴黎火车站钟楼，偶尔会去玩具店偷些零件，用来修补父亲（裘德·洛 Jude Law 饰）留下的机器人。一次行窃，他被店主乔治•梅里埃（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）当场抓获，因 忌惮带猎狗的巡警（萨莎·拜伦·科恩 Sacha Baron Cohen 饰）只得就范。乔治拿走了雨果父亲的遗物——一本机械手册，令他心急如焚，他尾随至乔治家中，结识了养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹 Chloë Moretz 饰），他恳求她帮自己保住手册。而伊莎贝拉则觉得此事蹊跷，于是两人结伴探秘。修好的机器人作画的落款却显示乔治的名字，让他们疑心顿起。终于他们发现了乔治家中装满画作的神秘柜子，并在图书馆的电影书籍中发现了乔治的身世。一位知情人的现身，让他们的奇幻冒险更添神秘……
本片根据布莱恩•瑟兹尼克的同名小说改编，是马丁•斯科塞斯的首部3D力作。

故事主角是一个生活在30年代法国巴黎的12岁孤儿雨果．卡柏瑞，他住在火车站的高墙内，在熙攘的人群中穿梭，藏身于大钟后方，冷眼观察来往过客，隐姓埋名，满脑子秘密。
他的父亲在修理博物馆机器人的过程中离奇死去，为了找出父亲留给他的资讯，雨果也开始修理这个机器人，然而这却引出更复杂、惊人的秘密，雨果的命运就此改变。