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...
1870년 서부의 작은 마을 헤이드리빌의 어느 일요일 아침, 세 명의 무법자들이 마을 역에서 서성거리며 시계를 본다. 이들의 보스 프랭크 밀러가 탄 기차가 12시 정오에 도착하는 것을 기다리고 있다. 이날은 바로 헤이들리빌 마을의 보안관 윌 케인이 보안관직을 은퇴하여 아름다운 신부 에이미와 결혼식을 올리고 마을을 떠나려하는 날인데, 5년 전 그에게 체포되어 투옥된 밀러가 복수를 하러오고 있는 중인 것이다. 이미 보안관직을 사임한 윌에게 더 이상의 책임은 없지만, 그는 밀러가 마을에 큰 피해를 줄 것을 알기에 고뇌에 빠지는데...
오랜 친구인 킴과 이지는 중세 시대를 연상시키는 스테인드 글래스가 부착된 창문이 달린 아파트 203호로 함께 이사를 했다. 그 후, 킴은 서서히 그들의 새로운 보금자리가 귀신들린 곳이라는 확신을 하게 된다. 남자 친구인 이안의 도움으로 아파트를 조사하면서 역사적으로 고문의 장소였던 점과 이전 거주자들이 연속해서 사라졌음을 알게 된다. 결국 반세기 전부터 이어지는 살인의 미스터리와 저주를 맞이하게 된다.
