Ước Vọng Trẻ Thơ xoay quanh câu chuyện của cậu bé TS Spivet, một thiên tài nhỏ tuổi với niềm đam mê cháy bỏng đối với bản đồ và các phát minh khoa học. Cậu sống trong một trang trại cùng mẹ, người bị ám ảnh bởi bọ cánh cứng, cha, người mơ ước trở thành cao bồi, và cô em gái 14 tuổi thích tiệc tùng. Một bi kịch đã xảy ra khi anh trai của TS Spivet, Layton, qua đời trong một tai nạn ở nhà kho của gia đình, nhưng điều kỳ lạ là TS Spivet không nhớ gì về việc đó.
TS Spivet nhận được cuộc gọi từ Bảo tàng Smithsonian, thông báo rằng cậu đã giành được giải thưởng Baird danh giá cho phát minh máy chuyển động vĩnh viễn. Với tinh thần phiêu lưu và ước mơ trở thành nhà thám hiểm dũng cảm, cậu quyết định rời quê hương Montana để đến với Smithsonian. Không nói với ai, TS Spivet lẻn vào cốp một chiếc container và bắt đầu chuyến phiêu lưu xuyên nước Mỹ.
Trong hành trình của mình, TS Spivet đối mặt với nhiều thử thách và khám phá. Cậu sử dụng trí thông minh và sự sáng tạo của mình để vượt qua khó khăn và tiến gần hơn đến mục tiêu. Với đầu óc của một thiên tài, TS Spivet đã tạo ra những điều kỳ diệu trong cuộc hành trình của mình.