Убогий сирота Хьюго Кабре вынужден жить в маленькой комнатке у станции, работая при этом на старом дяде Клоде, занимаясь обслуживанием башенных часов. Он мечтает собрать запчасти, необходимые для починки механической куклы, оставленной ему в наследство от отца. Внутри этой куклы он надеется найти загадку, которая свяжет его с пропавшим отцом. Отчаянно собирая детали, он похищает их из магазина игрушек, принадлежащего известному изобретателю, бывшему кинематографисту, Жоржу Мельесу. Однажды старик поймал мальчика на месте преступления, узнал о его мотивах. Хьюго показал Мельесу свой блокнот, где содержались записи о том, как починить автоматона. Однако старик уверовал, что куклу Хьюго тоже украл. Мсье Мельес забрал блокнот, вызвал станционного смотрителя. Хьюго сумел сбежать, но понял, что без блокнота не сможет починить автоматона, поэтому решил вернуться, попросить старика вернуть его. Однако владелец магазина игрушек пообещал выдать Хьюго смотрителю. Несмотря на это, Хьюго решает следовать за стариком. В ходе наблюдения он знакомится с дочерью Мельеса по имени Изабель, просит ее помочь вернуть блокнот. Временно оставшись без блокнота, запчастей, Хьюго возвращается домой, погружается в воспоминания.