I södra Kalifornien flyttar en far sin unga familj till landsbygden för att renovera och återöppna ett kämpande zoo.

Hugo är en föräldralös pojke som bor i väggarna på ett tågstation i 1930-talets Paris. Han lärde sig att reparera klockor och andra mekanismer av sin far och farbror, vilket han använder till att hålla stationens klockor i gång. Det enda han har kvar som binder honom till sin döde far är en automat (mekanisk man) som inte fungerar utan en speciell nyckel. Hugo måste hitta nyckeln för att låsa upp hemligheten han tror att den innehåller. På sina äventyr träffar han George Méliès, en butiksinnehavare som arbetar på tågstationen, och hans äventyrssökande guddotter. Hugo upptäcker att de har en överraskande koppling till hans far och automaten, och han finner att den låser upp minnen som den gamle mannen har begravt inom sig om sitt förflutna.

I en nära framtid är robotboxning en toppsport. En slitande ex-boxare känner att han har hittat en mästare i en kasserad robot.