เรื่องราวของ เด็กชายฮิวโก้ (อัสซ่า บัตเตอร์ฟิลด์) วัย 12 ปี ที่พ่อหายตัวไปอย่างลึกลับ พร้อมกับทิ้งหุ่นกลปริศนาสิ่งประดิษฐ์อันมหัศจรรย์ของพ่อ (จู๊ด ลอว์) กับความลับของกุญแจรูปหัวใจที่สามารถปลุกชีวิตให้กับหุ่นกลนั้นได้ แล้ววันหนึ่ง ฮิวโก้ ก็ได้พบ อิซาเบล (โคลอี เกรซ มอเรทส์) เด็กสาวนิสัยประหลาดผู้รักการผจญภัย ที่มีกุญแจที่เขาต้องการ แต่ระหว่างนั้นก็ต้องคอยหลบ นายตรวจสถานีผู้เคร่งครัด (ซาช่า บารอน โคเฮน) และหาทางค้นพาว่าชีวิตของเขาเกี่ยวข้องกับเจ้าของร้านขายของเล่นท่าทางแปลก ๆ ยังไง