Film ini dimainkan oleh Chris Evans dan Mckenna Grace sebagai dua pemeran utama. Chris Evans berperan sebagai Frank Adler dan Mckenna Grace sebagai Mary Adler (keponakannya Frank). Frank sudah tinggal bersama Mary sejak Mary masih berusia beberapa bulan. Frank sendiri awalnya adalah seorang dosen di sebuah universitas bergengsi namun beralih jadi tukang service perahu karena merasa bertanggungjawab atas ponakannya itu. Ia ingin membesarkan Mary seperti layaknya anak-anak pada umumnya dan menghabiskan waktu bersama supaya Mary tidak merasa kesepian.

Mary sendiri tumbuh menjadi anak yang aktif dan penuh rasa penasaran. Semua berawal sejak Frank memutuskan untuk memasukan Mary ke sekolah dasar supaya Mary bisa bergaul. Ia ingin Mary punya teman main, tidak hanya di rumah saja. Mary sempat bertanya apa gunanya sekolah. Mary enggan untuk sekolah tapi karena Frank bertekad, Mary pun menurut. Awal masuk sekolah, Mary sudah bosan sendiri karena pelajaran yang menurutnya terlalu mudah. Ia berkali-kali bertanya apa fungsinya sekolah dan mengapa mereka hanya belajar tambah-tambahan saja. 

Mrs. Bonnie, selaku wali kelas Mary, merasa perilaku anak muridnya itu sedikit “berani”. Mrs. Bonnie memberikan pertanyaan seputar pertambahan hingga perkalian, semua dijawab oleh Mary dengan mudah sampai bilangan desimal mampu dijawabnya. Mrs. Bonnie merasa ada yang tidak biasa dari Mary sampai ia bertemu Frank. Ia menekankan kepada Frank bahwa Mary sepertinya ‘berbakat’ karena menyelesaikan soal matematika begitu cepat tidak sampai lima menit. Frank dengan cepat menyangkal pernyataan wali kelas Mary tsb dan mengatakan bahwa cara menjawab Mary adalah sebuah metode hitung cepat yang biasa diajarkan ke anak-anak seusianya di tempat kursus.
 
Keadaan berubah tak lama sejak tiba-tiba nenek kandung Mary dari Inggris datang karena mendengar kabar kalau cucunya itu memiliki ‘bakat’. Nenek Mary memberikan Mary banyak buku soal cara memecahkan soal matematika sampai laptop yang khusus untuk mengerjakan soal-soal sulit lainnya. Mary begitu senang dan sangat antusias ketika menerima hal-hal favoritnya itu.

Di lain sisi, Bonnie berusaha mencari tahu siapa Frank Adler. Di situs pencarian terkait, muncul sebuah nama Diane Adler. Wanita ahli matematika, kakak dari Frank, yang dinyatakan meninggal bunuh diri sebelum menyelesaikan pemecahan rumus matematika. Diane Adler dinyatakan sebagai salah satu matematikawan jenius. Kejeniusan Diane diwariskan ke Mary, anaknya. Bonnie mencoba mengambil kesempatan untuk bertemu dengan Frank dan mulai bertanya mengenai Diane. Frank bilang seharusnya malam itu ia menemui kakaknya tsb tapi ia tidak bisa karena ada kencan. Ketika Frank balik pulang, ia sudah menemukan Diane tidak bernyawa dengan Mary di atas sofa sambil menangis. Diane hamil Mary di luar nikah dan nyatanya nenek kandung Mary terlalu ambisius terhadap reputasi kejeniusan Diane malah mengabaikan Diane yang sedang mengandung, membuat Diane depresi dan melakukan bunuh diri. Dari sejak saat itu Frank merasa bertanggungjawab dan bersalah. Ia memutuskan merawat Mary.

Situasi kian rumit saat nenek kandung Mary menuntut hak asuh Mary ke pengadilan dengan alasan kalau Frank hanya seorang paman dan telah merebut hak asuh Mary secara ilegal. Mary juga harus mendapatkan pendidikan di tempat anak-anak jenius, bukannya di sekolah dasar pada umumnya. Frank jelas menyanggah itu dan mengatakan bahwa Mary bahagia—Mary butuh bersosialisasi karena Frank tidak ingin nasib Mary malah menjadi seperti Diane yang tak mengenal dunia luar saking seringnya belajar demi ambisi ibunya sendiri. Apalagi tetangga mereka, Roberta, juga ikut membantu mengasuh Mary kalau Frank bekerja tidak terima Mary diambil paksa. Mary dibantu untuk sedikit berkonsultasi dengan psikolog anak. Psikolog tersebut menanyakan apa Mary bahagia tinggal bersama Frank, pamannya, dan Mary menjawab, “He wants me before I was smart.” Frank memang tulus merawat Mary menganggapnya layak anak sendiri dan berpikir kalau Mary berhak mendapatkan haknya sebagai anak untuk tetap bermain bersama teman seusianya. Ini membuat Mary lebih nyaman tinggal bersama Frank.

Keadaan berubah ketika Frank terpaksa harus menyetujui jalan tengah. Frank harus bersedia Mary diangkat sebagai anak oleh sepasang suami istri. Awalnya Frank tidak setuju tapi akhirnya mau karena ia berpikir lebih baik demikian daripada melihat Mary diasuh oleh ibunya sendiri. Ia tak mau Mary jadi Diane kedua. Mary marah atas keputusan Frank. Ia menolak ditinggal oleh pamannya itu. Namun Frank tetap pergi meninggalkan keponakannya.

Beberapa hari kemudian Frank tahu kalau ternyata sepasang suami-istri yang mengangkat Mary jadi anak telah disuap oleh ibunya sendiri. Frank datang ke kediaman tersebut sambil membawa box berisi berkas-berkas. Ternyata, sebelum mengakhiri hidupnya, Diane telah berhasil memecahkan rumus persoalan matematika yang ibunya inginkan. Frank berkata pada ibunya untuk berhenti melibatkan Mary demi ambisinya. Frank meminta maaf kepada keponakannya itu dan berjanji takkan meninggalkannya lagi. Ia membawa Mary pulang dan mereka kembali hidup bersama. Mary kemudian biasa ikut bergabung kepramukaan setelah pulang sekolak dan bisa bergaul bersama teman-temannya tanpa harus meninggalkan rutinitasnya yang kini menimba ilmu di sekolah khusus anak-anak jenius.