小男孩雨果(阿沙·巴特菲尔德饰)是一个充满活力的机械控。他住在巴黎火车站的钟楼,并经常去玩具店偷取零件,用来修复他父亲(裘德·洛饰)留下的机器人。一天,他被店主乔治·梅里埃(本·金斯利饰)抓住,只能顺从,因为他害怕那个带着猎狗的巡警(萨莎·拜伦·科恩饰)。乔治拿走了雨果父亲的遗物——一本机械手册,这让他非常着急。他跟踪乔治回到了他的家,遇到了养女伊莎贝拉(科洛·莫瑞兹饰),他请求她帮他保住手册。伊莎贝拉觉得事情很奇怪,于是两人一起展开了调查。修好的机器人上画的签名却显示是乔治的名字,这让他们产生了疑问。最终,他们发现了乔治家中装满画作的神秘柜子,并在图书馆的书籍中找到了乔治的身世。一位知情人的出现让他们的奇幻冒险变得更加神秘……本片改编自布莱恩·瑟兹尼克的同名小说,是马丁·斯科塞斯的首部3D作品。