Hugo Cabret berättar historien om en föräldralös pojke som lever ett hemligt liv inne i väggarna på en tågstation i Paris. Med hjälp av en excentrisk flicka försöker han lösa ett mysterium som kretsar kring hans far som han nyligen förlorat, den ilskna leksaksaffärsägaren som bor under honom och ett hjärtformat lås som verkar sakna nyckel.