T.S. Spivet è un bambino prodigio di dieci anni appassionato di cartografia e invenzioni. Vive in un ranch nel Montana insieme alla mamma, esperta di morfologia degli insetti, al padre, cowboy nato nel periodo storico sbagliato, a sua sorella quattordicenne che sogna di diventare Miss America e a suo fratello gemello Layton. 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 discorso di ringraziamento, T.S. salta su un treno merci e intraprende il suo straordinario viaggio attraverso l'America in direzione Washington... ma allo Smithsonian tutti ignorano che T.S. è solo un bambino.