En 1931, Hugo Cabret, un orphelin de 12 ans, vit dans les combles de la gare Montparnasse. Son père lui a laissé un automate inachevé. Il lui manque une pièce essentielle, une clef en forme de coeur. Hugo se lie avec une orpheline, Isabelle, dont s'occupe un vieil homme, vendeur de jouets, Georges Méliès...