En una pequeña población francesa, el juez Michel Racine es presidente de un temido tribunal de lo penal. Tan duro consigo mismo como con los demás, es apodado "el juez de las dos cifras": con él, siempre caen más de diez años. Todo cambia el día en que Racine se topa con Ditte Lorensen-Coteret. Ella es miembro del jurado que va a juzgar a un hombre acusado de homicidio. Seis años antes, Racine estuvo enamorado de esta mujer, prácticamente en secreto. Es quizá la única mujer a la que jamás haya amado.

'La invención de Hugo' cuenta la historia de Hugo Cabret (Asa Butterflied, 'El niño con el pijama a rayas'), un niño huérfano que vive oculto en la estación de tren de París, en el año 1930. Hijo de un relojero, y habiendo heredado su habilidad con la precisión para las máquinas, intentará reconstruir un autómata que dejó incompleto su progenitor. Lo hará acompañado de una excéntrica niña, Isabelle (Chloë Grace Moretz, 'Kick Ass. Listos para machacar') y de un viejo juguetero (Ben Kingsley, 'La lista de Schlinder'), que no es otro que George Méliès. A partir de el momento que se encuentren, se internarán juntos en un mundo inesperado repleto de fantasías en el que cada uno encontrará sus propias respuestas a los enigmas tanto terrenales como de su imaginación. En la era de los inventos, de las máquinas y de la ciencia ficción, todo es posible, incluso que los sueños se hagan realidad.