ในทศวรรษที่ 30 ยุคการฉายภาพยนตร์ยังคงเฟื่องฟู อูโก คาเบรต์ (อาซา บัตเตอร์ฟิลด์) เด็กชายผู้อาศัยอยู่กับคุณพ่อ (จูด ลอว์) ช่างซ่อมนาฬิกาชื่อดังแห่งปารีส ทั้งคู่ได้ใช้เวลาร่วมกันด้วยการชมภาพยนตร์ของผู้สร้างที่พวกเขาชื่นชอบ จอร์จส์ เมลิเยส์ (เบน คิลสลีย์) แต่หลังจากคุณพ่อจากไป ชีวิตของอูโกก็ไม่เหมือนเดิม เขาใช้ชีวิตอย่างลับๆ ด้วยการอาศัยอยู่ระหว่างกำแพงในสถานีรสไฟของปารีส ของต่างหน้าชิ้นสุดท้ายของคุณพ่อที่เขามีติดตัวคือ หุ่นยนต์ตัวหนึ่ง ซึ่งอูโกพยายามจะซ่อมมันเพื่อรู้ให้ได้ว่าคุณพ่อทิ้งความลับอะไรไว้ แต่หนทางไม่ได้ง่ายอย่างที่คิด เมื่ออูโกโดนเจ้าของร้านขายของเล่นจับได้ระหว่างขโมยของที่จะนำมาซ่อม