1930年代のパリ、父親を亡くした少年ヒューゴは一人で駅の時計の管理をしながら暮らしている。彼は父親が遺した空気人形を修理しようと駅にあるおもちゃ屋で部品を万引きするが、店主に見つかってしまう。そして、父親のノートも取り上げられてしまうが、その老人を追いかけていき、娘のイザベルと知り合う。
少年の小さな冒険を描いたアドベンチャー映画。マーティン・スコセッシ監督初の3D作品。