A Invenção de Hugo conta a história de um órfão vivendo uma vida secreta nas paredes de uma estação de trem em Paris. Com a ajuda de uma garota excêntrica, ele busca a resposta para um mistério que liga o pai que ele perdeu recentemente, o mau humorado dono de uma loja de brinquedos que vive abaixo dele e uma fechadura em forma de coração, aparentemente sem chave.