Production
Quelques années après la naissance de sa fille Francesca en 1999, Martin Scorsese voulait réaliser un film qu'elle puisse voir. Sachant cela le producteur Graham King lui parle du roman L'Invention de Hugo Cabret (The Invention of Hugo Cabret) qu'il vient de découvrir.La société GK Films de Graham King obtient ensuite les droits d'adaptation du roman, juste après sa publication en janvier 2007[. le scénario est écrit par John Logan, qui a déjà travaillé avec Martin Scorsese pour Aviator. Le titre original du film Hugo Cabret est ensuite raccourci en Hugo en juin 2011.

Auditions
En mars 2010, Martin Scorsese convie Ben Kingsley et Sacha Baron Cohen à son projet, l'un jouera le rôle du réalisateur français Georges Méliès et l'autre l'inspecteur de gare, avant que les jeunes Asa Butterfield et Chloë Moretz ne les rejoignent pour les rôles principaux Hugo Cabret et Isabelle. Quelques jours avant la production, en juin 2010, Jude Law est choisi pour interpréter le père de Hugo, de même que Ray Winstone en Oncle Claude, ainsi que Christopher Lee, Helen McCrory, Frances de la Tour et Richard Griffiths.Ce film marque donc la seconde collaboration de Scorsese avec Jude Law (Aviator, 2004) et Ben Kingsley (Shutter Island, 2010).

Tournage
La production débute fin juin 2010 aux Studios de Shepperton et de Longcross dans le comté de Surrey avant de partir pour Paris entre le 16 et 25 août 2010.

« Une gare parisienne des années 20 a été reconstituée, essentiellement en stuc, dans les studios londoniens de Pinewood. […] Ferretti s'est appuyé sur une foule de documents d'époque fournis par le Français Clive Lamming tant pour l'architecture des trains ou des costumes du personnel ferroviaire. Les moindres détails ont été respectés, jusqu'à la calligraphie désuète des panneaux d'information aux voyageurs ».

Le réalisateur et l'équipe de production ont transformé l'intérieur de la Sorbonne et la bibliothèque Sainte-Geneviève en décors des années 30 en France durant une semaine, du 16 au 23 août 2010, dans le 5e arrondissement, puis, jusqu'au 25 août 2010, le square de l'Opéra-Louis-Jouvet et la place Édouard-VII dans le 9e ainsi que le théâtre de l'Athénée-Louis-Jouvet dans le même arrondissement.

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La dernière chanson (générique de fin) intitulée Cœur volant est interprétée par la chanteuse française Zaz.