T.S. Spivet woont op een ranch in Montana met zijn moeder die geobsedeerd is door de morfologie van kevers, zijn vader (een cowboy die honderd jaar te laat is geboren) en zijn veertienjarige zus die ervan droomt Miss America te worden. T.S. is een wonderkind met een passie voor cartografie en wetenschappelijke uitvindigen. Op een dag krijgt hij een onverwacht telefoontje van het Smithsonian Museum. Hij krijgt te horen dat hij de winnaar van een zeer prestigieuze prijs is voor zijn ontdekking van een machine die uit zichzelf blijft bewegen. Hij wordt uitgenodigd op een receptie waar hij een speech moet geven. Zonder iemand op de hoogte te brengen trekt hij met een goederentrein door de Verenigde Staten met als eindbestemming Washington DC.