故事的主人公是一個叫雨果的男孩，雨果的爸爸生前是個鐘表匠，曾在工作的博物館里發現一個壞了的但精致巧妙的機器人，父親一面修理機器人，一面將修理的步驟寫在筆記本里，并將筆記本作為生日禮物送給雨果。后來父親離奇地喪生于博物館的大火中，雨果執著地想修好這個能寫字的機器人，想通過機器人寫的字得知父親想留給自己的信息。為了修理機器人，雨果經常去玩具店老人那里偷玩具，以便拆解出更多適合機器人的零件，卻被老人逮個正著。老人發現了筆記本，非常震驚并沒收了筆記本。在幾經周折之后，在老人收養的女孩兒伊莎貝爾的協助下，雨果終于拿回了筆記本，修好了機器人。但是，機器人并沒有像他們想象的那樣，寫出父親留給自己的任何字。失望之時，他們卻突然發現，機器人展示給他們更為離奇和復雜的信息。機器人最終寫了什么？這里面為何有這樣多的巧合？不要以為故事到這里就結束了，其實，它正是另一個故事的開始，而由此引出更復雜、更驚人的秘密。雨果的命運，以及周圍人的命運，都隨之發生了翻天覆地的變化。魔術、電影、夢想……構成了這個復雜神奇的懸疑故事。