T.S. Spivet est un jeune garçon surdoué qui vit dans le Montana. Un jour il reçoit un appel du Smithsonian American Art Museum de Washington l’informant qu’il a gagné le prix Baird pour avoir inventé la machine à mouvement perpétuel. Sans prévenir personne, il décide de traverser seul les Etats-Unis à bord d'un train de marchandises en direction de la capitale avec seulement un télescope, quatre compas et le journal intime de sa mère. T.S. veut à tout prix recevoir cette récompense décernée par un jury qui ignore qu’il n'a que dix ans.