Die Geschichte spielt im Jahr 1931 unter den Dächern von Paris. Der 12-jährige Waisenjunge Hugo ebt alleine in den Gemäuern eines gigantischen Pariser Bahnhofs. Seit sein Vater, ein talentierter Uhrenmacher, bei einem Brand ums Leben gekommen ist, versteckt sich Hugo auf dem Dachboden hinter einer großen Bahnhofsuhr. Statt zur Schule zu gehen, muss er die Arbeit seines Onkels übernehmen: Täglich macht er einen Kontrollweg durch die großen Hallen, um alle Bahnhofsuhren in Schuss zu halten und aufzuziehen. Dabei muss er sich vor dem strengen Stationsvorsteher in Acht nehmen, der keine Chance auslässt, seinem Geheimnis auf die Spur zu kommen.

Die Vergangenheit droht Agent K einzuholen. Denn vor mittlerweile 40 Jahren hat er den gefährlichen Alien-Verbrecher Boris verhaftet, wobei dieser seinen Arm verlor. Seitdem sitzt Boris in einem geheimen Gefängnis am Mond und sinnt auf Rache. Doch mit Hilfe der hübschen Lilly gelingt Boris die Flucht und er macht sich rasch auf die Jagd nach K. Doch er will ihn nicht etwa einfach töten, sondern in die Vergangenheit reisen, K umbringen und gleichzeitig seinen Arm retten. Da K plötzlich wie vom Erdboden verschwunden ist und sich nur sein Partner Agent J an ihn erinnern kann scheint das unterfangen auch gelungen zu sein - doch J lässt das natürlich nicht auf sich sitzen, reist ebenfalls in die Vergangenheit und arbeitet mit dem jungen K zusammen um Boris aufzuhalten...