T.S. Spivet vit dans un ranch isolé du Montana avec ses parents, sa soeur Gracie et son frère Layton. Petit garçon surdoué et passionné de science, il a inventé la machine à mouvement perpétuel, ce qui lui vaut de recevoir le très prestigieux Prix Baird du musée Smithsonian de Washington. Après avoir laissé un mot à sa famille, il part, seul, chercher sa récompense et traverse les États-Unis sur un train de marchandises. Mais personne là-bas n'imagine que l'heureux lauréat n'a que 10 ans et qu'il porte un bien lourd secret.