Paris'in kalbindeki bir tren istasyonunun duvarları arasında, saatlerin gizli mekanizmaları arasında yaşayan yetim Hugo, babasından miras kalan gizemli bir otomatı onarmaya çalışır. İstasyondaki saatleri çalıştırarak hayatta kalan bu küçük çocuk, bir gün oyuncak dükkanı sahibi yaşlı bir adam olan Georges ile karşılaşır. Bu tesadüf, Hugo'nun kaderini değiştirecek bir dizi olayı tetikler.

Georges'un manevi kızı Isabelle ile arkadaş olan Hugo, otomatın sırrını çözmek için onunla birlikte araştırmalara başlar. Otomatın çizdiği resimler, onları sinemanın unutulmuş öncülerinden birinin izine sürükler. Bu yolculuk, Georges'un geçmişteki kimliğini ve kayıp hikayesini gün yüzüne çıkarırken, iki çocuk sinemanın büyülü dünyasında heyecan verici bir keşfe çıkar.

Hugo ve Isabelle, sadece otomatın gizemini çözmekle kalmaz, aynı zamanda bir efsanenin yeniden doğuşuna tanıklık eder. Tren istasyonunun karmaşık koridorlarında dolaşan her biri kendi hikayesini taşıyan renkli karakterler, dostluğun iyileştirici gücünü ve hayallerin peşinden gitmenin önemini hatırlatır. Bu macera, unutulmuş bir geçmişin gün ışığına çıkışıyla son bulur.