小雨果（由阿沙·巴特菲尔德饰演）热衷于机械。他住在巴黎火车站的钟楼中，偶尔会到玩具店偷拿零件维修自己父亲留下的机器。有一天，在尝试行窃时被店主乔治·梅里埃抓获，因为害怕带狗巡逻的警员（由萨莎·拜伦·科恩扮演），他只得屈服。乔治收走了雨果的父亲手册，让雨果非常担心；之后，他们前往乔治家，那里他还遇到了养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹饰）。为了让伊莎贝拉相信自己的话，雨果请她帮忙找回手册，但伊莎贝拉持保留态度，于是两人共同开启了一段调查旅程。修好的机器人上写着的是乔治的名字，这使两人的疑惑加深。最后，他们在乔治的一个秘密抽屉里发现了线索，并借助图书馆里的书籍解开了关于乔治身份的所有谜团。这时一个重要角色突然现身，为这次神奇冒险增添了几分独特魅。