機械人形の方はいまやほとんど修理が済んでいたが、人形のぜんまいを巻くためのハート型の鍵が見つからなかった。ところがヒューゴはある日、鉄道公安官に追いかけられるドタバタのあとで、イザベルが身に着けていたペンダントにまさしくハート形の鍵がついているのを発見する。早速、機械人形に鍵を差し込みぜんまいを回してみると…人形はペンを片手にすらすらと絵を描きだした。出来上がった絵には、月にロケットが突っ込んでいる様子が描かれており、それはかつてヒューゴの父が語ってくれた“ある映画”のストーリーそのままであった。そして最後に機械人形は、絵の隅に“ジョルジュ・メリエス”とサインした。するとイザベルが「それ、パパ・ジョルジュの苗字だわ！」

玩具屋の主人ジョルジュの過去、孤児ヒューゴの運命、そして映画にまつわる知られざる歴史が、不思議な機械人形によって導きだされていく。
キャスト

役名俳優日本語吹替
ヒューゴ・カブレエイサ・バターフィールド橘敏輝
イザベルクロエ・グレース・モレッツ山口愛
ジョルジュ・メリエス（パパ・ジョルジュ）ベン・キングズレー坂口芳貞
鉄道公安官サシャ・バロン・コーエン村治学
クロードおじさんレイ・ウィンストン辻親八
リゼットエミリー・モーティマー高橋理恵子
ママ・ジャンヌヘレン・マックロリー野沢由香里
ムッシュ・ラビスクリストファー・リー長克巳
ルネ・タバールマイケル・スタールバーグ大川透
ルネ・タバール（回想）ガリヴァー・マグラス
ルネの兄（回想）エド・サンダース
エミーユ夫人フランシス・デ・ラ・トゥーア立石凉子
ムッシュ・フリックリチャード・グリフィス村松康雄
ヒューゴの父ジュード・ロウ加瀬康之
フーツ警官ケヴィン・エルドン谷昌樹
浮浪児ショーン・アイルウォードラヴェルヌ拓海
映画館の支配人アンガス・バーネット塾一久
動く写真の呼び込み真田五郎
機関士�@マックス・ロッテスリー樋口智透
ジャグリングの呼び込み町田政則
助監督玉野井直樹
ブース席の女性慶長佑香
驚く女性�@笹田依里
本の納入業者荻沢俊彦
ジャンゴ・ラインハルトエミル・ラジェ
撮影技師エドマンド・キングズレー
バグダッドの盗賊（映像）ダグラス・フェアバンクス
（ノンクレジット）
トランプ（映像）チャールズ・チャップリン
（ノンクレジット）
ジョニー・グレイ（映像）バスター・キートン
（ノンクレジット）
ボーイ（映像）ハロルド・ロイド
（ノンクレジット）
カメラマンマーティン・スコセッシ
（ノンクレジット）

製作

2007年2月、『ディパーテッド』のアカデミー作品賞受賞直前、同作を製作したワーナー・ブラザースとグレアム・キングはスコセッシの監督を想定して刊行されたばかりの『ユゴーの不思議な発明』の映画化権を購入し、『アビエイター』でスコセッシ、キングと組んだジョン・ローガンに脚本化を依頼した[5]。