תקציר:

ב-1931, הוגו קברה, ילד בן 12, חי עם אביו האלמן, שען מומחה בפריז. השניים נוהגים לצפות בסרטים מדי שנה ביום הולדתו של הוגו. ז'אנר הסרטים האהוב על אביו הוא פנטזיה ומדע בדיוני, ובמיוחד סרטיו של ז'ורז' מלייס. אביו של הוגו מת בשריפה, והוגו נלקח על ידי דודו, שען אלכוהוליסט, האחראי על תחזוקת השעונים בתחנת הרכבת "Gare Montparnasse" בפריז. דודו מלמד אותו לתחזק את שעוני התחנה ונעלם. מאוחר יותר מסופר שגופתו של הדוד נמצאה ללא רוח חיים על גדות נהר הסֵן. הוגו גר לבדו, בין קירות התחנה, מתחזק את השעונים, גונב מזון ועובד על הפרויקט השאפתני של אביו: תיקון בובה מכנית, המסוגלת לכתוב עם עט. משוכנע שהבובה מכילה מסר מאביו, הוגו עושה הכול על מנת לתקן אותה. הוא גונב כלי עבודה מדוכן הצעצועים בתחנת הרכבת, אך נתפס על ידי בעל החנות, ז'ורז' מלייס. מלייס מחרים את המחברת היקרה של הוגו, הכוללת בתוכה רישומים והערות של אביו לתיקון הבובה. הוגו נחוש להחזיר לידיו את מחברת הרישומים של אביו ומחליט לעקוב אחר מלייס עד ביתו. שם מכיר הוגו את איזבל, יתומה הקרובה לגילו, החיה עם סנדקיה - ז'ורז מלייס ואשתו ז'אן ד'לסי. איזבל מבטיחה להיחלץ לעזרתו של הוגו בהשבת מחברתו. למחרת, מלייס משיב להוגו מספר דפים שרופים, וטוען שהוא שרף את המחברת כולה, אך איזבל מרגיעה את הוגו ואומרת לו שהמחברת לא נשרפה. לבסוף, לאחר שמלייס מתרשם מכשרונו הטכני של הוגו, הוא מציע לו לעבוד בדוכן הצעצועים עד שישלם על כל כלי העבודה שגנב ממנו ובתמורה יקבל את מחברתו חזרה. הוגו נעתר להצעה ומתחיל לעבוד בחנות הצעצועים. במקביל הוא מצליח לתקן את הבובה, אך עדיין חסר לו חלק אחד - מפתח מיוחד בצורת לב שבאמצעותו ניתן לתפעל את הבובה. לאחר תקרית מסעירה בתחנת הרכבת הוגו נוכח לגלות שאיזבל עונדת את מפתח הלב על צווארה. השניים ממהרים למקום מחבואו של הוגו בתחנה ובעזרת המפתח מפעילים את הבובה. הבובה מציירת ציור מתוך סרט שהוגו ואביו צפו בו, ובתחתית הציור מוסיפה חתימה: "ז'ורז' מלייס. איזבל והוגו אינם מבינים את הקשר בין אביו של הוגו לסנדקיה ומחליטים להראות את הציור לאשתו של מלייס, ז'אן דלסי. היא בתגובה כועסת מאוד ומבקשת מהוגו לעזוב את ביתם, אך בדיוק אז, מלייס מגיע הביתה והיא משנה את דעתה ושולחת אותם להתחבא באחד החדרים. בחדר הם מחפשים אחר המחברת של הוגו, אך מוצאים תיבה מלאה בציורים ורישומים מתוך סרטים ישנים, מלייס ואשתו מגלים אותם, כועסים ומופתעים, מאוכזבים מהתנהגות הילדים ומבקשים מהוגו להסתלק. הוגו הולך לספרייה שאיזבל המליצה לו עליה, ושם מגלה כי מלייס הוא דמות חשובה בתולדות הקולנוע. הוגו פוגש באיש צעיר שמציג את עצמו כמעריץ גדול של מלייס וכחוקר קולנוע. הוא מספר לו עוד עליו, ומוסיף כי יש לו אחד מסרטיו הגדולים של מלייס. הוגו מחליט להראות את הסרט למלייס וז'אן על מנת "לתקן" את יחסיו עם מלייס. הם קובעים פגישה בביתו של מלייס ללא ידיעתו.