Париж, Вокзал Монпарнас, 1931 год. В сцене, открывающей фильм, 12-летний мальчик Хьюго Кабре (Аса Баттерфилд) наблюдает за магазином игрушек, которым владеет пожилой Жорж Мельес (Бен Кингсли). Мальчик пытается украсть механическую мышь, но за этим его застаёт Мельес. Он выворачивает карманы Хьюго и забирает все детали, которые тот украл ранее. Мельес пытается узнать, зачем мальчику понадобились предметы из его магазина, и Хьюго показывает ему свой блокнот, где были размещены рисунки автоматона и заметки по его ремонту. Растроганный Мельес забирает блокнот и кричит на мальчика, подозревая того в том, что он украл и его. На крик прибегает станционный смотритель Густав (Саша Барон Коэн) со служебной собакой, но после продолжительной погони ему не удается схватить Хьюго.

Тем же вечером Хьюго возвращается к Мельесу, чтобы вернуть свой блокнот. Мужчина отказывается, грозясь отправить мальчика в кабинет станционного смотрителя. Хьюго не разочаровывается и следует за ним по пятам до самого дома. Видя в окне квартиры девочку Изабель (Хлоя Моретц), он обращает на себя ее внимание и когда она выходит на улицу, мальчик убеждает ее проследить за тем, чтобы Мельес не сжёг блокнот. Придя домой, Хьюго смотрит на автоматона и вспоминает отрывки из прошлого. Действие фильма переносится на несколько лет назад. Мальчик живет с одним отцом, мать умерла при родах. Отец Хьюго (Джуд Лоу), добрый и преданный часовщик, показывает сыну новую разработку: сломанного автоматона, когда-то умевшего писать. Отец мальчика погибает во время пожара в музее, в котором он работал, так и не сумев восстановить робота. Клод Кабре (Рэй Уинстон), дядя Хьюго, страдающий алкоголизмом, забирает его жить к себе. Воспоминания мальчика заканчиваются.

Хьюго не теряет надежды и снова навещает Мельеса, который сдается и отдает ему платок, в который был завернут пепел, оставшийся от блокнота. Подавленный Хьюго бросается бежать и встречает Изабель, которая вытирает его слёзы и берет мальчика с собой в библиотеку, где всем заправляет месье Лабисс (Кристофер Ли). Там Изабель признаётся, что Мельес не сжигал блокнот, а притворился, чтобы оставить его себе. Хьюго возвращается к старику, но тот стоит на своём и предлагает ему починить механическую мышь, которую тот сломал незадолго до этого. Хьюго успешно восстанавливает раздробленную игрушку и старик говорит ему, что юноша должен будет каждый день приходить к нему в магазин и выполнять любую работу, которую Мельес ему даст.

Во время общения с Изабель, Хьюго внезапно узнаёт, что девочка ни разу в своей жизни не смотрела художественный фильм. Они пробираются в кинотеатр и смотрят немую ленту Фреда Ньюмейера и Сэма Тейлора «Наконец в безопасности!». Во время кульминационного момента картины их обнаруживает работник кинотеатра и выкидывает детей на улицу. По дороге на вокзал Изабель признаётся Хьюго, что её родителей также нет в живых. На вокзале их замечает станционный смотритель, но Изабель, притворившись кузиной Хьюго, выручает его из беды. Мальчик замечает ключ в форме сердца, выпавший у Изабель, который нужен ему для ремонта автоматона. Он просит его у неё, но она отказывается, требуя узнать, зачем ему ключ. Хьюго ведёт девочку в свой тайник, где спрятан автоматон, и объясняет, что ключ нужен ему для полного функционирования робота. Изабель отдаёт ему ключ, Хьюго вставляет его в отверстие и автоматон оживает, начав писать на листе бумаги непонятные линии и случайные буквы. Через несколько минут робот заканчивает свою работу и дети видят, что он нарисовал Луну, в которую попал полый снаряд. Хьюго понимает, что автоматон изобразил кадр из фильма «Путешествие на Луну» — кинокартины, которую отец Хьюго посмотрел, ранее не видев ни одной художественной ленты. Последним штрихом робота стала подпись Жоржа Мельеса, выведенная прямо под рисунком.

Недоумевая, в чём дело, дети направились к жене Мельеса, Жанне (Хелен Маккрори), которая, едва увидев рисунок, сказала Хьюго, чтобы тот ни при каких обстоятельствах не показывал его Мельесу. Жанна уводит детей в другую комнату, после чего Мельес приходит домой. Хьюго и Изабель находят тайник старика в шкафу, но под Изабель ломается стул и на шум прибегает Мельес, который в гневе рвёт часть своих эскизов, выпавших из найденной коробки. Он плачет, и Хьюго, воспользовавшись замешательством, покидает дом. На входе в вокзал мальчик сталкивается с месье Лабиссом, который дарит ему книгу Александра Дюма «Робин Гуд в изгнании».

Желая больше узнать о возникновении кинематографа, на следующий день Хьюго и Изабель отправляются в библиотеку киноакадемии, где изучают книгу Рене Табарда (Майкл Сталберг) «Изобретение мечты: История первых фильмов». Из книги дети узнают, что Жорж Мельес когда-то был кинорежиссёром, скончавшимся еще во время Первой мировой войны. Автор книги не верит детям, когда они утверждают, что Мельес жив, и ведёт их в специальную комнату, где собраны различные предметы из жизни режиссёра. Там Табард показывает им единственную уцелевшую плёнку с одним из фильмов Мельеса.

Ночью Хьюго долго не может уснуть, ему снятся кошмары. Сцена одного из них воспроизводит реальное крушение поезда на вокзале Монпарнас, которое произошло 22 октября 1895 года.

Под утро полицейские Парижа находят мёртвым дядю Хьюго — Клода Кабре. Хьюго, Изабель и Рене Табард посещают дом Мельеса, но Жанна просит их уйти. Она признаётся, что ранее была актрисой и играла исключительно в фильмах своего мужа. Табард показывает плёнку с фильмом Мельеса «Путешествие на Луну». За просмотром их застаёт сам режиссёр, который рассказывает присутствующим о своём прошлом: работе фокусником, разработке собственного автоматона, первом знакомстве с кинематографом, постройке своей киностудии и съёмках фильмов. По словам Мельеса, он оставил свою основную работу из-за войны, так как людей перестало интересовать кино. Вскоре Мельес не смог платить актёрам и поддерживать жизнь студии. В отчаянии он сжёг все декорации и костюмы, а из-за отсутствия достаточных финансовых средств ему пришлось продать все свои фильмы компании, перерабатывающей плёнки. На эти деньги Мельес открыл небольшой киоск на вокзале Монпарнас и начал зарабатывать на жизнь продажей игрушек. Единственной вещью, которую Мельес не сжёг, был автоматон — Мельес отдал его в местный музей, где его и нашёл отец Хьюго.

Когда Хьюго снова оказывается на вокзале, станционный смотритель наконец-то ловит мальчика и сажает его в клетку, но он сбегает и оттуда. Между ними происходит непродолжительная погоня, после которой Хьюго оказывается висящим на стрелке больших вокзальных часов. Густав теряет мальчика из виду и уходит, забрав с собой и собаку. Хьюго забирает своего автоматона из тайника, но смотритель снова пытается забрать его в клетку, однако ему мешает Мельес, который вовремя приходит мальчику на помощь. Хьюго и Изабель присутствуют на вечере, посвящённом Жоржу Мельесу и его творчеству. В своей речи режиссёр благодарит Хьюго и показывает зрителям большинство своих фильмов.

В последней сцене фильма звучит закадровый голос Изабель, которая рассказывает о том, что она благодарна судьбе за то, что встретила мальчика по имени Хьюго Кабре.

Аса Баттерфилд-Хьюго Кабре
Хлоя Морец-Изабель
Бен Кингсли-Жорж Мельес
Саша Барон Коэн-станционный смотритель Густав
Хелен Маккрори-мама Жанна
Майкл Сталберг-Рене Табард
Эмили Мортимер-Лисетт
Кристофер Ли-месье Лабисс
Фрэнсис де ла Тур-мадам ЭмиРи
Ричард Гриффитс-месье Фрик
Джуд Лоу-отец Хьюго
Рэй Уинстон-дядя Клод