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j（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

1941年，美国海军情报局特工索姆斯（约翰•库萨克 John Kusack 饰）奉命来到上海，负责调查好友康纳被暗杀的真相。他以德国先驱报驻上海记者的身份游走于社会名流的酒会。他借助同纳粹工程师穆勒太太的情人关系消除猜疑、获取情报。在一次赌局中，他结识了黑帮头目兰亭的夫人安娜（巩俐 饰），对方与手下的神秘暗语令他好奇。跟踪未果，他只得继续打探。为了调查康纳的死因，他秘密约见了康纳的线人。然而，两人的会面却因为日本军队追查地下党而破产。一次偶然的机会，索姆斯再次与安娜重逢，并且在她的引荐中结识了上海黑社会头目安东尼•兰亭（周润发 饰）及日本情报处田中大佐（渡边谦 饰）。在调查中，索姆斯渐渐发现康纳的死跟一个神秘的日本女人（菊地凛子 饰）有关……