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...
크리스마스 이브에 토리는 술에 취해 파티를 하고 싶어하지만, 근처 장난감 가게의 로봇 산타클로스가 미쳐 그녀의 작은 마을을 돌아다니며 마구잡이로 살인을 시작한다. 그리고 그녀는 생존을 위한 싸움에 내몰리게 된다.
토마스는 파리최대의 백화점 사장인 어머니, 외할아버지와 함께 행복하게 살면서 온갖 장난감을 다 가지고 있지만, 크리스마스가 다가오자 산타클로스에게 새 장난감을 달라는 편지를 쓴다. 그리고는 산타클로스를 보겠다는 결심으로, 집안의 움직임을 감시하는 온갖 장치를 설치하고 산타클로스를 기다린다. 크리스마스 저녁, 산타클로스가 나타나지만, 그는 백화점에서 파면된 데 앙심을 품은 임시고용자였다. 그가 짖어 대는 개를 죽이는 것을 본 토마스는, 아이들이 자지 않고 산타클로스를 기다리면 마귀를 보낸다던 엄마의 말을 생각하고 떨지만, 반격을 결심하고...
자신과 꼭 닮은 인형을 발견한 소년이 인형가게로 들어가는데...
