Залишившись сиротою, дванадцятирічний Г'юго Кабре живе на вокзалі разом зі своїм дядьком. Метою всього життя Г'юго стає бажання відновити загадкову механічну ляльку, яка залишилася йому в спадок від батька. Для цього йому потрібні деталі, які він потихеньку тягає у місцевого продавця іграшок Жоржа Мельєса. Але одного разу Жорж ловить його на гарячому і відбирає блокнот з кресленнями, без яких відремонтувати ляльку буде неможливо. Хлопчик знайомиться з онукою Мельєса, дівчинкою на ім'я Ізабель. Несподівано виявляється, що онучка носить на шиї талісман, який дуже схожий на ключ до механічної ляльки Г'юго. У хлопчика з'являється шанс розгадати секрет ляльки...