在令人震惊的第三季大结局过去六个月后，该剧回归，团队必须克服悲痛，以应对一场危险的犯罪浪潮。这一次，T教授在授课中彻底放下了防备，而一项新的音乐追求则为他的母亲阿德莱德· Tempest（德拉·图尔饰）带来了新的浪漫可能性，同时，对于治疗师海伦娜·戈德堡（史蒂文森饰）而言，职业与个人生活的界限变得模糊。与此同时，梅亚·戈斯瓦米警督（苏内特拉·萨尔克饰）负责指挥警方，而深受观众喜爱的丹·温特斯警司（怀特饰）则坚定地站在她身边。

小男孩雨果（阿沙·巴特菲尔德 Asa Butterfield 饰）天生机械控。他寄宿巴黎火车站钟楼，偶尔会去玩具店偷些零件，用来修补父亲（裘德·洛 Jude Law 饰）留下的机器人。一次行窃，他被店主乔治•梅里埃（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）当场抓获，因 忌惮带猎狗的巡警（萨莎·拜伦·科恩 Sacha Baron Cohen 饰）只得就范。乔治拿走了雨果父亲的遗物——一本机械手册，令他心急如焚，他尾随至乔治家中，结识了养女伊莎贝拉（科洛·莫瑞兹 Chloë Moretz 饰），他恳求她帮自己保住手册。而伊莎贝拉则觉得此事蹊跷，于是两人结伴探秘。修好的机器人作画的落款却显示乔治的名字，让他们疑心顿起。终于他们发现了乔治家中装满画作的神秘柜子，并在图书馆的电影书籍中发现了乔治的身世。一位知情人的显身，让他们的奇幻冒险更添神秘……