암으로 투병중인 어머니, 그리고 임신한 누나와 함께 살고 있는 흑인 빈민가 소년 포인덱스터는 어느날 그의 집에 집세 체납을 사유로 한 퇴거 명령서가 날아들자 금화가 가득하다는 건물주의 집을 털기로 작정한다. 그러나 사스 점검원을 가장한 누나친구 리로이와 함께 몰래 침입한 그곳에서 포인덱스터는 계단밑에서 들려오는 지하인간들의 아우성을 듣게 되는데, 그들은 '악인은 보지도 듣지도 말하지도 말라'는 양부모의 말을 어긴 입양아들로 혀나 팔,다리가 절단된 채 암흑의 세계에서 사육되고 있었다. 공포심에 휩싸인 포인덱스터와 리로이는 탈출을 시도하지만 곧 사태를 눈치챈 집주인의 공격으로 죽음의 위기에 처하고...
1931년 프랑스 파리의 기차역, 역사 내 커다란 시계탑을 혼자 관리하며 숨어 살고 있는 열두 살 소년 휴고(아사 버터필드). 사고로 아버지(주드 로)를 잃은 휴고에겐 아버지와의 추억이 담긴 고장 난 로봇 인형만이 가진 전부다. 아버지의 숨겨진 메시지가 있을 거라 믿으며 망가진 로봇 인형을 고치려는 것을 포기하지 않는 휴고는 어느 날 인형 부품을 훔쳤다는 이유로 장난감 가게 주인 조르주(벤 킹슬리)에게 아버지의 수첩을 뺏기고 만다. 조르주 할아버지의 손녀딸 이자벨(클로이 모레츠)의 도움으로 로봇 인형의 설계도가 담긴 아버지의 수첩을 되찾으려는 휴고는 떠돌이 아이들을 강제로 고아원에 보내는 악명 높은 역무원(사챠 바론 코헨)의 눈에 띄게 되고, 애타게 찾던 로봇 인형의 마지막 열쇠를 가지고 있던 건 다름아닌 이자벨이라는 것을 알게 되는데...
