1931년 프랑스 파리의 기차역, 역사 내 커다란 시계탑을 혼자 관리하며 숨어 살고 있는 열두 살 소년 휴고(아사 버터필드). 사고로 아버지(주드 로)를 잃은 휴고에겐 아버지와의 추억이 담긴 고장 난 로봇 인형만이 가진 전부다. 아버지의 숨겨진 메시지가 있을 거라 믿으며 망가진 로봇 인형을 고치려는 것을 포기하지 않는 휴고는 어느 날 인형 부품을 훔쳤다는 이유로 장난감 가게 주인 조르주(벤 킹슬리)에게 아버지의 수첩을 뺏기고 만다. 조르주 할아버지의 손녀딸 이자벨(클로이 모레츠)의 도움으로 로봇 인형의 설계도가 담긴 아버지의 수첩을 되찾으려는 휴고는 떠돌이 아이들을 강제로 고아원에 보내는 악명 높은 역무원(사챠 바론 코헨)의 눈에 띄게 되고, 애타게 찾던 로봇 인형의 마지막 열쇠를 가지고 있던 건 다름아닌 이자벨이라는 것을 알게 되는데...
1919년 파리, 뜨겁고 파괴적이었던 세기의 예술가 ‘모딜리아니’는 술과 마약에 중독되어 방탕하고 동료 예술과들과 종잡을 수 없는 기행을 일삼는다. “당신을 영혼까지 알게 되면, 그때 눈동자를 그릴게요” 어느 날, ‘모딜리아니’는 아름다운 ‘잔’에게 매료되어 운명적인 사랑에 빠진다. ‘잔’은 ‘모딜리아니’에게 영감을 주는 뮤즈로 그는 더욱 작품 활동에 몰두하게 된다. 하지만 아이를 낳은 ‘잔’은 이어지는 궁핍한 생활에 지쳐가고, ‘피카소’를 찾아가 전시회에 ‘모딜리아니’의 그림을 걸어달라고 부탁하면서 사이가 좋지 않았던 그들의 갈등은 더욱 심해진다. ‘모딜리아니’는 약물과 알코올 중독 증세로 건강마저 악화되면서 점점 엉망진창이 된다. 그는 파리에서 매년 개최되는 상금이 걸린 미술 경연대회에 작품을 내기로 결심하고, 애증의 라이벌 ‘피카소’까지 참가한다는 소식에 파리가 들썩이기 시작하는데…
에너지 넘치는 사운드와 빠르게 지나가는 박동감 넘치는 이미지들이 나타난다. 한 젊은 여성이 미소를 띤 채 정원에서 그네를 타고 있다. 그 주변으로 빙글빙글 돌아가는 탄창, 피스톤, 기어, 터빈, 동심원 속에서 줄지어 있는 냄비, 뚜껑, 깔때기 같은 주방 기구들과 머리위로 지나가는 자동차들이 보인다. 이번에는 한 여성이 커다란 가방을 어깨에 메고 계속해서 계단을 오른다. 아르 데코 만화인물이 춤을 추며 등장한다.
1919년의 파리, 천재적 재능을 가졌으나 그림이 팔리지 않아 가난에 시달리는 젊은 화가 모딜리아니. 어느 날, 지인의 초청으로 학교에 간 모디는 그곳에서 아름다운 미술학도 잔느를 만나 사랑에 빠진다. 잔느의 부모의 반대에 부딪힌 모디와 잔느는 동거를 시작하고, 두 사람의 사랑은 깊어간다. 하지만 여전히 그림은 팔리지 않고, 모디는 쇠약해지는데, 악덕 미술상 모렐은 모디가 죽기만을 기다린다.
