Події розгортаються в Парижі 1930-х років. Г'юго Кабре живе в потаємних куточках жвавого залізничного вокзалу, де він доглядає за годинником і таємно ремонтує зламаний автомат, що залишився від його покійного батька. Життя Г'юго робить несподіваний поворот, коли він перетинається з Ізабель, енергійною дівчиною, яка стає його другом і партнером у розгадці таємниці автомата. Разом Г'юго та Ізабель вирушають у пригоду, яка приводить їх до відкриття забутого режисера Жоржа Мельєса.
Спілкуючись із Мельєсом, вони відкривають для себе його забуте минуле як режисера-першопрохідця та магію кінематографа. Заглиблюючись у історію Мельєса, Гюго та Ізабель дізнаються про його втрачені фільми, любов до оповіді та важливість збереження краси уяви. Їхня подорож стає святом сили мрій та важливості їхнього збереження.