T. S. Spivet est un jeune prodige de douze ans, passionné par la cartographie et les illustrations scientifiques. Un jour, le musée Smithsonian l'appelle : le très prestigieux prix Baird lui a été décerné et il est invité à venir faire un discours. À l'insu de tous, il décide alors de traverser les États-Unis dans un train de marchandises pour rejoindre Washington DC... Mais là-bas personne ne se doute qu'il n'est qu'un enfant. Muni d'un télescope, de quatre compas et des Mémoires de son arrière-arrière-grand-mère, T. S. entreprend un voyage initiatique qui lui permettra peut-être enfin de comprendre comment marche le monde...