Anfang der 1930er-Jahre in Paris: Der 12-jährige Waisenjunge Hugo lebt in den Dachgewölben des Pariser Bahnhofs und kümmert sich um die riesigen Werke der Bahnhofsuhren. Seine besondere Hingabe aber gilt einem menschenähnlichen Automaten, den er von seinem Vater vererbt bekam und dem zum Funktionieren nur ein Schlüssel in Form eines Herzens fehlt. Eben diesen trägt die Adoptivtochter eines im Bahnhof ansässigen Spielzeugmeisters um den Hals. Als die Kinder den Automaten zum Leben erwecken, malt er in ruckelnden Bewegungen das Titelbild eines der berühmtesten Filme des frühen Kinos aufs Papier: Die Reise zum Mond des Stummfilmregisseurs Georges Méliès, mit dem die ungewöhnliche Maschine auf geheimnisvolle Weise verbunden ist.