イングランド中部シェフィールド。大好きだった父マイケル(マーティン・マッキャン)を事故で亡くし、母ジュリー(サリー・ホーキンス)や周囲に心を閉ざしてしまった少年ネイサンは、他人とのコミュニケーションが苦手な反面、数学の理解力に関しては飛びぬけた才能を持っていた。ジュリーは、普通の学校に適応できない息子の才能を伸ばそうと、数学教師マーティン(レイフ・スポール)に個人指導を依頼。数年後、マーティンの献身的な教育の成果もあり、ネイサン(エイサ・バターフィールド)は国際数学オリンピックのイギリス代表チームの選抜候補に選ばれる。代表チーム監督リチャード(エディ・マーサン)の指導のもと、台北でのトレーニング合宿に参加することになったネイサン。その合宿は、イギリス最大のライバルである中国チームと合同で行われ、ネイサンはそこで中国チームの美しく聡明な少女チャン・メイ(ジョー・ヤン)とパートナーを組むことになる。彼女と共に学ぶ日々は、数学一色だったネイサンの人生をカラフルに変え、彼を大きく成長させていく。そしてネイサンの心にはこれまで経験したことのない感情が芽生え始めていた。やがて台北合宿は終了、イギリスチーム、中国チームともに国際数学オリンピック本番のためにイギリスのケンブリッジ大学トリニティ・カレッジへと向かう。だがオリンピック当日、ネイサンは人生最大の選択を迫られることになるのだった……。