ในกรุงปารีสยุค 1930 เด็กหนุ่มผู้ชื่นชอบกลไกชื่ออูโก้ใช้ชีวิตอย่างสันโดษในสถานีรถไฟกลางเมือง หลังจากการตายของพ่อ เขาค้นพบหุ่นยนต์กลไกปริศนาที่ถูกทิ้งไว้ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการไขความลับของอดีตที่เชื่อมโยงกับช่างซ่อมนาฬิกาลึกลับ การตามหาหัวใจรูปกุญแจเพื่อปลุกหุ่นยนต์ให้มีชีวิตนำพาเขาไปพบกับหญิงสาวผู้รักการอ่าน และเผยให้เห็นเรื่องราวซ่อนเร้นของความทรงจำและภาพยนตร์ที่ถูกลืม