Historien om den föräldralöse pojken Hugo Cabret 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 sin döde far, den ilskne ägaren till leksaksaffären under honom och ett hjärtformat lås som verkar sakna nyckel.