Film hugo bercerita pada tahun 1931, hugo cabret bocah berusia 12 tahun tinggal bersama ayahnya, duda yang baik hati dan mengabdikan dirinya sebagai pembuat jam. Saat ayah hugo meninggal dalam kebakaran museum, hugo dibawa oleh pamannya yang pemabuk, seorang tukang jam di stasiun kereta api gare montparnasse. Pamannya mengajarinya untuk memelihara jam, lalu menghilang. Hugo hidup di kamar rahasia di stasiun tersebut, memperbaiki jam, bersembunyi dari inspektur stasiun, gustave dan pegawainya maximilion. Ia juga bekerja pada proyek ambisius ayahnya memperbaiki sebuah automaton yang rusak, sebuah manusia mekanik yang didesain untuk menulis dengan sebuah pena.
Automaton tersebut kehilangan bagian yang penting, sebuah kunci berbentuk hati. Dipercaya bahwa mesin tersebut mengandung pesan dari ayahnya. Dia kemudian mendapat seorang asisten, isabelle, cucu pemilik toko mainan. Ternyata film yang disukai oleh ayah hugo dibuat oleh kakek isabelle, dan automaton tersebut adalah ciptaannya saat ia menjadi seorang pesulap. Mereka kemudian mencari di rumah keluarga isabelle, tapi ketahuan dan hugo dilarang lagi ke rumah mereka.
Hugo dan isabelle kemudian pergi ke film academy library di paris. Di sana mereka bertemu ahli film, rene tabard. Hugo dan isabelle mengundang rene ke rumah keluarga melies. Rene kemudian melihat istri melies, yang dikenalinya sebagai seorang bintang dari banyak film melies. Ia menunjukkan copy dari film melies yang terselamatkan.
Mengerti bahwa automaton adalah kreasi dari melies, hugo kembali ke stasiun kereta untuk menyelamatkannya. Lalu ia terlihat oleh inspektur gustave, yang kemudian mengejar hugo di stasiun. Hugo hampir saja tertabrak, beruntung inspektur gustave menyelamatkannya. Sebelum, inspektur membawanya ke rumah yatim piatu, melies datang dan berkata bahwa hugo adalah anaknya. Inspektur gustave kemudian membiarkannya pergi.
Pada adegan terakhir, melies bersama dengan istrinya, cucunya, dan hugo, menjadi tamu kehormatan dalam sebuah selebrasi besar, dimana dia berkontribusi untuk perfilman dan mendapatkan penghargaan.
