《雨果》中，天生痴迷机械的小男孩雨果（阿沙·巴特菲尔德 Asa Butterfield 饰）独自寄宿在巴黎火车站的钟楼里。他时常潜入玩具店偷取零件，用来修复父亲（裘德·洛 Jude Law 饰）留下的机器人。一次行窃时，雨果被店主乔治·梅里埃（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）当场抓住。由于害怕带着猎狗巡逻的巡警（萨莎·拜伦·科恩 Sacha Baron Cohen 饰），他只能乖乖认错。乔治随后拿走了雨果父亲遗留下来的机械手册，这让雨果焦急万分。于是，他一路尾随乔治回到家中，并结识了乔治的养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹 Chloë Moretz 饰），恳求她帮助自己保住这本手册。
伊莎贝拉也觉得其中另有隐情，便和雨果一起展开调查。机器人修复后画出了一幅画，落款竟然是乔治的名字，这令两人更加疑惑。随着探索深入，他们在乔治家中发现了一个摆满画作的神秘柜子，又从图书馆的电影书籍里逐渐了解到乔治的身世。一个知情人的出现，让这场充满奇幻色彩的冒险变得更加神秘。
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