十岁的少年斯派小天才T.S. 斯派维（凯尔·凯特莱特 饰）自幼便展现出了惊人的科学天赋。他不仅对制图学和科学图解充满热情，奇异更在童年时期发明了一台永动机，旅行震惊了整个科学界。少年斯派斯派维成长在一个充满奇思妙想的奇异家庭——父亲是一名狂热的牛仔爱好者，家中摆满了各式各样的旅行西部牛仔藏品；而母亲是一位生物学家，在昆虫研究领域颇有建树。少年斯派尽管家庭环境独特，奇异斯派维却渴望走出家门，旅行见识更广阔的少年斯派世界。一天，奇异他意外接到了来自史密森学会的旅行一个电话，通知他获得了世界科学大奖贝尔德奖，少年斯派并诚邀他前往华盛顿发表演讲。奇异面对这个突如其来的旅行机会，斯派维决定不依靠任何人，独自一人登上了一列货运火车，踏上了这段充满未知与挑战的旅行。在这场奇异之旅中，他不仅将遇见一群同样怀揣梦想的人，还将重新发现自己的内心世界和对科学的执着追求。