小小少年T.S. 斯派维（凯尔·凯特莱特 Kyle Catlett 饰）出生在蒙大拿州的一个偏远牧场。他天资聪慧，痴迷于制图学和科学图解，年仅十岁就成功发明了永动机。他的父亲（考乐姆·吉斯·雷尼 Callum Keith Rennie 饰）是个牛仔迷，热衷于收集各类西部牛仔相关物品；母亲（海伦娜·伯翰·卡特 Helena Bonham Carter 饰）是生物学博士，专注于昆虫研究；姐姐则是个普通人，常因生活在这样一个满是怪人的家庭而苦恼。T.S.原本有个异卵双胞胎弟弟雷顿，可惜去年在一场意外中离世。 这天，T.S.接到史密森学院的电话，得知自己荣获世界科学大奖贝尔德奖，还被邀请前往华盛顿演讲。于是，十岁的科学小天才T.S. 斯派维偷偷爬上货运火车，独自开启了穿越美国的奇妙之旅。