玩笑开过头的托马斯(约瑟夫·梅 Joseph May 配音)不小心将高登的车厢撞脱了轨道,为了惩罚托马斯,胖总管将他分配到多多岛的的另一端工作,与新朋友莱恩(埃迪·雷德梅恩 Eddie Redmayne 配音)一起建造新的火车支线。托马斯为重新展示自己是有用的火车,在新铁路上行走时未有留意危险告示,结果坠落裂缝的地洞,竟发现传说中的海盗船,并与水手约翰(约翰·赫特 John Hurt 配音)和帆船斯基夫(杰米·坎贝尔·鲍尔 Jamie Campbell Bower 配音)结伴,在多多岛展开紧张刺激的寻宝之旅……。患有亚斯柏格症的青少年奈森(阿萨巴特菲尔德饰),从小便无法与人沟通,加上父亲在面前车祸逝世的阴影,他甚至排斥自己的母亲茱莉(莎莉霍金斯饰)。奈森天生就丧失了爱的能力,唯有在数学的世界能使他找到慰藉。因为对数学的热忱与天分他进入了英国数学国家队,跟着团队远赴重洋来到台湾参加国际数学奥林匹亚竞赛选手集训,直到在台湾遇上中国少女张梅(焦阳饰)让他渐渐敞开了心房,真正开始理解爱,继而逐步解开人生方程式。。