Die Geschichte spielt im Jahr 1931 unter den Dächern von Paris. Der 12-jährige Waisenjunge Hugo (Asa Butterfield) lebt alleine in den Gemäuern eines gigantischen Pariser Bahnhofs. Seit sein Vater (Jude Law), ein talentierter Uhrenmacher, bei einem Brand ums Leben gekommen ist, versteckt sich Hugo auf dem Dachboden hinter einer großen Bahnhofsuhr. Statt zur Schule zu gehen, muss er die Arbeit seines Onkels übernehmen: Täglich macht er einen Kontrollweg durch die großen Hallen, um alle Bahnhofsuhren in Schuss zu halten und aufzuziehen. Dabei muss er sich vor dem strengen Stationsvorsteher (Sacha Baron Cohen) in Acht nehmen, der keine Chance auslässt, seinem Geheimnis auf die Spur zu kommen.