小小少年T.S. 斯派维（凯尔·凯特莱特 Kyle Catlett 饰）生于蒙大拿州一个偏远牧场，他有一颗聪明绝顶的大脑，酷爱制图学和科学图解，年仅十岁就发明了永动机。他的父亲（考乐姆·吉斯·雷尼 Callum Keith Rennie 饰）是个狂热的牛仔迷，搜集关于西部牛仔的一切；母亲（海伦娜·伯翰·卡特 Helena Bonham Carter 饰）是一位生物学博士，潜心投入到昆虫研究中；而姐姐则是一个最普通不过的正常人，她常常为生在这个一屋子怪人的家里而烦恼。T.S.原本还有一个异卵双胞胎弟弟雷顿，去年死于一场意外。
这天，T.S.接到一个来自史密森学院的电话，告知他被授予了世界科学大奖贝尔德奖，并邀请他到华盛顿演讲。于是，十岁的科学奇才T.S.斯派维，偷偷爬上了货运火车，独自踏上了穿越美国的奇异旅行。

　　三姐弟在一场大火中失去了父母，继承了父母留下的一大笔遗产。因为年龄尚小，只能到了法定年龄才能动用这笔钱。于是，三姐弟被暂时带到远房亲戚奥拉夫（金·凯瑞 Jim Carrey饰）家，由奥拉夫来抚养。 　　姐姐维奥莱特（艾米莉·布朗宁 Emily Browning饰）是个善于发明创作的小精灵，弟弟克劳斯则博闻强识，是个地道的小博士。最小的孩子有一口锋利的牙齿，呀呀说些姐姐哥哥才能听得懂的话。这次三姐弟却落进了奥拉夫的圈套里，被这个贪婪的亲戚盯上了那笔遗产。他们一次次陷入险境，看来奥拉夫非把他们害死不可。 　　于是，他们逃到了做生物学家的叔叔家里，然而这里却满是蛇类动物，颇为惊悚。更不妙的是，奥拉夫像摆脱不掉的影子跟随而至。三个孩子继续出逃，在发现姑妈家也不是去处时，他们决定自力更生，跟邪恶的奥拉夫周旋到底。