Dans le Paris des années 1930, Hugo Cabret, un orphelin de douze ans, vit dans une gare. De son père, un horloger talentueux, il ne lui reste qu'un étrange automate dont il cherche la clé - en forme de coeur - qui pourrait le faire fonctionner. Hugo est convaincu que le robot, dont la vocation est d'écrire, renferme un ultime message de son père. En rencontrant Isabelle, il a peut-être trouvé la clé... mais ce n'est que le début de l'aventure.