הוגו (אייסה באטרפילד) הוא יתום צעיר שחי בתחנת הרכבת המרכזית בפריז בשנות ה-30 של המאה ה-20. הוא מסתתר בין הקולות וההמולה של התחנה, מנסה לשמור על המשכיות חייו תוך כדי שהוא מתמודד עם האובדן של אביו. הוגו מוקסם מהמכונות והשעונים שמקיפים אותו, ומבלה את ימיו בתיקון מכניזמים שונים, מתוך תקווה לפענח סוד עמוק שמסתתר במכונה מסתורית – אוטומטון – שהוריש לו אביו לפני מותו. האוטומטון הוא מכונה מורכבת שיכולה לכתוב ולצייר, ומכאן מתחילה חקירה סוחפת שמובילה את הוגו אל עולם הקולנוע והיצירה.
במסעו הוא פוגש את איזבל (קלואי גרייס מורץ), נערה חכמה וסקרנית שמסייעת לו לגלות את סודותיו של האוטומטון. יחד הם מתקרבים לאמן הקולנוע ז'ורז' מלייס (בן קינגסלי), דמות מסתורית שעברה שנים של התעלמות ושכחה, אך שקשורה קשר הדוק למכונה ולסיפור של הוגו. דרך מפגשים עם דמויות שונות בתחנה, הוגו לומד על כוחם של החלומות, הזיכרון והיצירה, ומגלה עד כמה חשוב לשמר את ההיסטוריה והאמנות. הסיפור של הוגו הוא מסע של גילוי עצמי, של התמודדות עם אובדן ושל ההבנה שהעבר והעתיד מחוברים זה בזה. כשהוא נלחם לשמור על האוטומטון ולחשוף את סודיו, הוגו פותח פרק חדש בחייו, מלא תקווה והשראה, בתוך עולם שבו המכונות והאנושיות משתלבים זה בזה באופן קסום ומרגש. הוגו מגלה שהאוטומטון הוא יצירתו של ז'ורז' מלייס, אמן הקולנוע המפורסם שהמציא טכניקות מיוחדות שהשפיעו על תעשיית הסרטים. בזכות האוטומטון, הוגו מצליח לשחזר את עבודתו של מלייס ולהחזיר לו את ההכרה הציבורית שאיבד במשך שנים. הסרט מדגיש את החשיבות של שמירת ההיסטוריה התרבותית והאמנותית, ומציג את הקשר העמוק בין טכנולוגיה, יצירה וזיכרון. בסופו של דבר, הוגו מוצא משפחה חדשה ומקום שבו הוא שייך, כשהוא לומד שהאהבה והיצירתיות הן המנועים האמיתיים של החיים.
