Synopsis:

En 1931 à Paris, Hugo Cabret, un garçon d'une dizaine d'années, vit avec son père, veuf et dévoué à son fils, qui lui enseigne son métier, l'horlogerie, tout en travaillant comme gardien dans un musée. Avec lui, Hugo va souvent au cinématographe ; ses films préférés sont ceux de Georges Méliès. Quand le père d'Hugo meurt dans l'incendie du musée, Hugo est pris en charge par un oncle alcoolique, qui entretient les horloges de la gare Montparnasse. Avant de disparaître, l'oncle poursuit durement l'enseignement qu'avait entamé le père d'Hugo. Hugo prend alors discrètement la place de son oncle à la gare, ce qui lui permet d'entretenir une vie secrète tant que les horloges sont à l'heure. Vivant de petits vols, il doit éviter l'inspecteur Gustave, vétéran de la Grande Guerre qui porte une attèle à une jambe à cause d'une blessure au combat, et son doberman Maximilien, tout comme les autres orphelins que l'inspecteur recherche. Pendant ce temps, Hugo poursuit l'ambitieux projet que son père n'a pu achever : réparer un automate cassé, un homme mécanique créé pour écrire au stylo. Pour cela, il a besoin de pièces, qu'il vole au magasin de jouets de la gare. Un jour, son propriétaire le prend en flagrant délit et lui confisque son précieux carnet. Il manque une pièce vitale au fonctionnement de l'automate : une clé en forme de cœur. Convaincu que la machine renferme un message de son père, Hugo va désespérément la chercher. Il se lie d'amitié avec Isabelle, la filleule du propriétaire du magasin de jouets. Il lui apprend ce qu'il sait des films, que son parrain ne lui a jamais laissé voir. Hugo découvre alors qu'Isabelle détient la clé qu'il cherche. Quand ils l'utilisent sur le robot, celui-ci dessine une scène de film que Hugo connait : c'est bel et bien un message de son père. Ils découvrent que le film du dessin a été réalisé par le parrain d'Isabelle, Georges Méliès, une légende du cinéma, qui est maintenant négligé et qui a perdu toutes ses ambitions. L'automate d'Hugo est le seul vestige de sa vie en tant que magicien, avant qu'il ne commence le cinéma. Cherchant des indices chez Méliès, les deux enfants trouvent une boîte remplie de dessins et de scènes de films. Mais, pris sur le fait, Hugo est banni de la maison. Hugo et Isabelle décident d'aller à la grande bibliothèque des films de Paris, où ils trouvent des informations biographiques dans un livre sur Méliès. Ils y rencontrent René Tabard, l'auteur-même du livre, un expert cinématographique vénérant Méliès, et qui, comme beaucoup de gens, pensait que le réalisateur était mort, puisqu'il n'avait pas été vu depuis la Première Guerre mondiale qui avait brutalement mis un terme à sa carrière. René montre aux enfants les rares vestiges de la carrière de Méliès. Incrédule à l'annonce que Méliès est toujours vivant, il a l'ambition de le rencontrer. Hugo et Isabelle invitent René au domicile de Méliès, où ils rencontrent la femme de Méliès, Jeanne, que René reconnait immédiatement comme la vedette de nombreux films de Méliès. René, qui avait apporté avec lui un projecteur portatif, montre au groupe sa copie d'un des rares films de Méliès encore existant, Le Voyage dans la Lune. Lorsque Méliès découvre cette scène dans son salon, il est indigné. Jeanne le convainc alors de chérir ses glorieuses réalisations plutôt que de regretter son rêve perdu. Il raconte alors son histoire, tout d'abord en tant que magicien puis en tant que cinéaste ainsi que sa faillite durant la Grande Guerre, pendant laquelle les rêves et les illusions de ses films ne trouvaient plus leur place au milieu des esprits meurtris par la guerre. S'ensuivit alors la faillite et une nuit, désespéré, Méliès mit le feu à ses costumes et décors, tandis que pour payer les dettes ses films furent vendus et fondus pour en faire des talons de chaussures. Avec l'argent récolté, Méliès acheta la boutique de jouets de la gare. La seule de ses créations qu'il n'avait pu se résoudre a détruire était un automate de sa conception capable de dessiner et qu'il donna à un musée où il tomba dans l'oubli.