小小少年T.S. 斯派維（凱爾·凱特萊特 Kyle Catlett 飾）生於蒙大拿州一個偏遠牧場，他有一顆聰明絕頂的大腦，酷愛制圖學和科學圖解，年僅十歲就發明了永動機。他的父親（考樂姆·吉斯·雷尼 Callum Keith Rennie 飾）是個狂熱的牛仔迷，搜集關於西部牛仔的一切；母親（海倫娜·伯翰·卡特 Helena Bonham Carter 飾）是一位生物學博士，潛心投入到昆蟲研究中；而姐姐則是一個最普通不過的正常人，她常常為生在這個一屋子怪人的家裡而煩惱。T.S.原本還有一個異卵雙胞胎弟弟雷頓，去年死於一場意外。這天，T.S.接到一個來自史密森學院的電話，告知他被授予了世界科學大獎貝爾德獎，並邀請他到華盛頓演講。於是，十歲的科學奇才T.S.斯派維，偷偷爬上了貨運火車，獨自踏上了穿越美國的奇異旅行。