De 12-jarige T.S. Spivet woont met zijn familie op een ranch in Montana. Zijn moeder is geobsedeerd door insecten, zijn vader is een onvervalste cowboy en zijn 14-jarige zusje droomt ervan Miss Amerika te worden. Zelf is hij een echt genie, gefascineerd door cartografie en wetenschappelijke proeven. Op een dag krijgt hij een telefoontje van het Smithsonian in Washington. Voor één van zijn uitvindingen heeft hij de prestigieuze Baird-prijs in de wacht gesleept en hij mag die in ontvangst nemen op een prijsuitreiking. Spivet pakt meteen zijn koffer (inclusief telescoop en vier kompassen), schrijft een afscheidsbriefje aan zijn ouders en vertrekt alleen op een wonderbaarlijke tocht naar de andere kant van de Verenigde Staten. In Washington ondertussen denken ze dat T.S. Spivet een volwassen uitvinder is..