Film jest hołdem złożonym kinu, wyrazem miłości Martina Scorsese X Muzy, do jej magicznych początków. Jest to historia młodego chłopca, sieroty Hugo Cabreta, który w zastępstwie swojego zaginionego wuja ustawia zegary na paryskiej stacji kolejowej. Jedyną rzeczą pozostawioną mu przez ojca jest automaton – mechaniczny człowiek, który nie może funkcjonować bez specjalnego klucza. Hugo na swej drodze do rozwikłania zagadki, jaką kryje w sobie automatom, spotyka samego Georgesa Méliesa, który teraz prowadzi sklepik z zabawkami oraz jego rezolutną chrześnicę Isabelle. Z pomocą dziewczynki Hugo dotrze do sekretu mechanicznego człowieka i pozna magię kina. Podobnie jak widz, który dzięki opowieści Martina Scorsese, wykorzystującej w niezwykle kreatywny sposób możliwości kina 3D, przeniesie się do czasów, gdy na ekran i na stację w Ciotat wjeżdżał pociąg ze słynnego filmu braci Lumiere, a Georges Mélies zapraszał w podróż na księżyc.