Der zwölfjährige Waisenjunge Hugo lebt versteckt im Gewölbe des Pariser Bahnhofs. Dort setzt er im Verborgenen fort, was sein Vater einst begann: Er zieht nämlich täglich die riesigen Bahnhofsuhren auf. Eines Tages entdeckt er einen rätselhaften, beschädigten Roboter, der anscheinend in der Werkstatt seines Vaters konstruiert wurde. Hugo beginnt, diesen zu reparieren, und stößt so auf das Geheimnis seiner eigenen Herkunft.