Un garçon mystérieux, Hugo Cabret, vit seul dans les combles de la gare où il s'occupe des horloges. Il se rend régulièrement près de la boutique de jouets pour voler quelques objets. Un jour, pris la main dans le sac, le garçon égare un carnet de croquis que le marchand refuse de rendre. Il veut comprendre pourquoi Hugo tient à ce carnet, pourquoi il refuse de raconter ce que signifient ces croquis d'automates..