En el corazón de la vasta y maravillosa América, un joven prodigio de apenas 12 años, T.S. Spivet, vive en un rancho en Montana con su excéntrica familia. Desde temprana edad, ha mostrado un talento increíble para la invención y la ciencia, algo que le da un toque de soledad en su vida cotidiana. A pesar de su brillantez, T.S. lucha por ser comprendido y escuchado en un hogar donde el arte de la observación se opone a los ruidos del mundo.

En el bullicioso corazón de Montmartre, París, una joven introvertida llamada Amélie Poulain descubre el poder de las pequeñas maravillas de la vida. Tras una infancia marcada por la soledad y la peculiaridad de su familia, Amélie decide afrontar el mundo a su manera. Su vida da un giro inesperado cuando tropieza con un tesoro escondido en su apartamento: una caja de recuerdos perteneciente a un niño que la había dejado atrás. Decidida a devolver esa felicidad perdida, Amélie se embarca en una misión para transformar no solo la vida de los demás, sino también la suya.