Im Paris von 1931 lernt der zwölfjährige Hugo durch seinen Vater, der als Uhrmacher in einem Museum arbeitet, das Kino kennen und lieben.
Auf dem Dachboden des Museums findet der Vater einen mechanischen Automaten, der einen Menschen darstellt und über ein kompliziertes Uhrwerk gesteuert wird. Dazu gehören ein Schreibtisch und ein Tintenfass mit Füller. Er nimmt den Apparat mit nach Hause, um ihn zusammen mit Hugo zu reparieren. Doch wenig später kommt der Vater bei einem Brand im Museum ums Leben.
Der verwaiste Hugo zieht zu seinem Onkel Claude in eine Dachgeschosswohnung des riesigen Pariser Bahnhofs Montparnasse. Claude, ebenfalls Uhrmacher, ist für die Wartung der Bahnhofsuhren zuständig. Er führt Hugo in die labyrinthische Welt innerhalb der Mauern ein und lernt ihn an, damit er seine Arbeiten übernehmen kann. Zur Schule lässt er den Jungen nicht gehen. Der Onkel ist ein notorischer Trinker, der eines Tages verschwindet und erst später tot aus der Seine geborgen wird. Hugo übernimmt seine Arbeit, ohne dass dies zunächst jemandem auffällt.
Ohne Einkommen muss sich Hugo mit kleinen Diebstählen über Wasser halten. Er ist außerdem überzeugt, dass ihm der menschliche Automat eine Botschaft seines Vaters überbringen werde, und arbeitet weiter daran, diesen in Gang zu bringen. Teile dafür stiehlt er in einem kleinen Laden für mechanische Spielzeuge. Dabei muss er vor dem kriegsversehrten Bahnhofsinspektor Gustave Dasté auf der Hut sein, der elternlose Kinder gnadenlos ins Waisenhaus bringt. Als der Besitzer des Spielwarenladens Hugo bei einem Diebstahl erwischt, nimmt er das Notizbuch mit den Plänen der Maschine an sich, was Hugo zur Verzweiflung bringt.
Dem Automaten fehlt noch ein wichtiges Teil, ein Aufziehschlüssel mit herzförmigem Schlüsselbart.