En el París de los años 30, el joven Hugo es un huérfano de doce años que vive en una estación de tren. Su pasado es un misterio y su destino un enigma. De su padre, solo le queda un extraño autómata del que busca la llave, con forma de corazón, que podría hacerlo funcionar. Al conocer a Isabelle, puede que haya encontrado la llave, pero esto es solo el comienzo de la aventura.