Hugo Cabret est orphelin. Son oncle l'héberge dans les combles de la gare dont il est chargé de régler les horloges. Or, le garçon a une obsession : achever de réparer l'automate sur lequel son père travaillait avant de mourir dans l'incendie du musée où il était employé. Hugo est persuadé que cet automate a un important message à lui délivrer. Une fillette amoureuse des livres, un vieux marchand de jouets, hargneux, une clé volée, un dessin mystérieux, un précieux carnet de croquis forment les rouages de cette fascinante énigme.
