Baseado no best-seller de Brian Selznick, o filme é ambientado nos anos de 1930, em Paris. Acompanha o menino Hugo (Asa Butterfield), de 12 anos. Ele era bastante apegado ao pai (Jude Law), um relojoeiro, especialmente depois que a mãe morreu. Infelizmente, o pai também acaba morrendo em um incêndio e o garoto vai morar com um tio bêbado numa estação de trem.
O objeto que Hugo mais tem afeição é um robô, um autômato usado em apresentações teatrais. A peça foi encontrada estragada num museu e Hugo e seu pai a consertavam no período em que o pai faleceu. Dessa forma, o menino vive mexendo no robô, procurando terminar o serviço, além de perambular pela estação de trem, furtando sanduíches e sendo perseguido pelo guarda local (Sacha Baron Cohen, de "Borat"). Um dia Hugo conhece a garota Isabelle, com quem irá compartilhar alguns segredos. A trama os levará a descobrir o trabalho de Georges Méliès, um dos pioneiros do cinema.
O filme fala de amizade e de confiança. Sua maior virtude parece ser, contudo, resgatar o trabalho do visionário Georges Méliès. Depois que os irmãos Lumière propagaram o cinema no final do século XIX, em feiras populares, ele servia mais como um registro do cotidiano e de algumas imagens em sequência. Méliès, que antes já trabalhava como ilusionista, percebeu o potencial da nova descoberta. Utilizando técnicas extremamente criativas para a época, começou a contar histórias na tela. Isso o levou a um grande sucesso. Hugo irá conhecer com Méliès (Ben Kingsley) e esse encontro irá mudar a vida de ambos. Partes destes filmes antigos são apresentadas dentro da história de "Hugo Cabret". Apesar de estar concorrendo nas categorias de Melhor Filme e Diretor, o ponto forte desta produção está em sua estética, em categorias como Direção de Arte, Fotografia, Figurino e Trilha Sonora.
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