J já viu coisas inexplicáveis em seus quinze anos com os Homens de Preto, porém, nada, nem mesmo alienígenas o deixam mais perplexo que seu parceiro irônico e reticente. Mas quando a vida de K e o destino do planeta estão em jogo, o agente J terá de viajar no tempo, no passado, para acertar as coisas. J descobre que o universo tem segredos que K nunca contou a ele – segredos que acabarão se revelando quando ele se unir ao jovem agente K para salvar seu parceiro, a agência e o futuro da humanidade.

Paris, anos 30. Hugo Cabret é um órfão que vive escondido nas paredes da estação de trem. Ele guarda consigo um robô quebrado, deixado por seu pai. Um dia, ao fugir do inspetor, ele conhece Isabelle, uma jovem com quem faz amizade. Logo Hugo descobre que ela tem uma chave com o fecho em forma de coração, exatamente do mesmo tamanho da fechadura existente no robô. O robô volta então a funcionar, levando a dupla a tentar resolver um mistério mágico.