T.S. Spivet è un bambino prodigio di 10 anni con una passione per la cartografia e le invenzioni. Vive in un ranch nel Montana insieme a sua mamma ossessionata dalla morfologia degli insetti, suo padre, cowboy nato nel periodo storico sbagliato e sua sorella quattordicenne che sogna di diventare Miss America. Layton, il fratello gemello di T.S., è morto in un incidente nel fienile nessuno ha mai parlato del fatto che T.S. fosse con lui. Un giorno T.S. riceve una telefonata inaspettata dall'Istituto Smithsonian che gli annuncia la vittoria del prestigioso premio Baird per la sua invenzione di un dispositivo dal moto perpetuo. All'insaputa di tutti, per ritirare il premio e tenere il suo discorso di ringraziamento, T.S. salta su un treno merci e intraprende il suo stravagante viaggio attraverso l'America in direzione Washington... ma allo Smithsonian tutti ignorano che T.S. è solo un bambino!