HUGO CABRET est adapté du livre L'INVENTION DE HUGO CABRET, écrit et illustré par Brian Selznick. Publié en 2007, il a été classé numéro un sur la liste des best-sellers du New York Times et a remporté en 2008 la Médaille Caldecott « du meilleur livre illustré américain pour enfants ».

Martin Scorsese, qui a découvert le cinéma grâce à son père qui l'emmenait voir des films dans son quartier de Little Italy, a été touché par l'histoire d'HUGO CABRET qu'il a lu d'une traite : « je me suis tout de suite reconnu dans l'histoire de ce garçon, sa solitude, son lien avec le cinéma, les rouages de la créativité, explique le cinéaste. Dans le film, c'est par l'intermédiaire des objets mécaniques, y compris les caméras, les projecteurs et les automates, qu'Hugo parvient à rétablir un lien avec son père. »

John Logan, qui a adapté le livre L'INVENTION DE HUGO CABRET pour le cinéma, avait déjà travaillé avec Martin Scorsese en réalisant le scénario d'AVIATOR (plus récemment, on lui doit également le scénario de RANGO). C'est aussi la deuxième fois que Martin Scorsese dirige Jude Law, qui interprétait Errol Flynn dans AVIATOR, ainsi que Ben Kingsley, qui tenait le rôle du psychiatre dans SHUTTER ISLAND.

Avant d'incarner HUGO CABRET, Asa Butterfield a été remarqué pour sa prestation dans LE GARÇON AU PYJAMA RAYÉ de Mark Herman, qui lui avait valu une nomination au British Independent Film Award du meilleur espoir et au prix du Jeune acteur britannique de l'année aux London Critics Circle Film Awards.

La majorité des scènes a été filmée en Angleterre, aux studios de Shepperton, où le chef décorateur Dante Ferretti a dirigé la construction d'une gare grandeur nature, avec toutes ses boutiques. Les autres scènes ont été tournées à Londres et à Paris : la scène dans laquelle Hugo et Isabelle s'aventurent dans la bibliothèque a été tournée à la Bibliothèque Sainte-Geneviève à Paris, le musée parisien où travaille le père d'Hugo est en fait le célèbre Victoria and Albert Museum de Londres, le théâtre parisien où se déroule l'hommage rendu à Méliès est en fait un amphithéâtre de la Sorbonne et enfin le théâtre Athénée Louis-Jouvet de Paris sert de décor au flash-back dans lequel le jeune Georges Méliès fait léviter le personnage de Jeanne.