《天才少女》是由“美国队长”克里斯埃文斯主演的一部家庭电影，讲述了天才少女的母亲去世后，一直由舅舅照顾。外婆发现她的天赋后，想要将她培养成一名数学家。舅舅只想让她过平凡人的生活，一场抚养权的争夺战由此拉开。
小红是一名小学生，今年七岁，由于母亲早逝，她一直和舅舅阿杰生活在一起。自从小红开始懂事，阿杰便发现，她的智商比平常人高出很多。很多时候，阿杰都会担心小红在学校里的生活，害怕她会由于智商超群，而遭到同学的排挤。实际上，确实如此，上课的时候，小红可以轻易回答出老师提出的任何问题，这导致，同学们都不太喜欢她。小红之所以智商超群，是因为母亲给她留下了优良的基因，母亲艾艾是一位国际知名的数学大师。
这天，小红在上学的路上见义勇为，把捉弄女生的同学胖墩，揍了一顿。很快，阿杰被校长请进办公室，不过，他并没有责怪小红，反而认为小红做的没有错。校长建议阿杰，让小红进入专门培养神童的学校读书，可阿杰认为，那样做会给她造成相当大的压力，所以没有接受。本着负责任的态度，校长又联系了小红的外婆阿琳，请她劝一劝阿杰。
本来，阿琳并不知道小红智商超群一事，和校长通过电话之后，她激动不已，立刻开车前往阿杰家。为了博得小红的好感，阿琳投其所好，送给她一台笔记本电脑，里面下载了很多位国际知名数学家的资料。之后，阿琳和阿杰商量，希望他可以把小红交给自己抚养。阿琳性格强势，望子成龙之心极其迫切，这一点阿杰很清楚，所以，他自然不会交出抚养权。阿杰不吃软的，阿琳只好采取强硬手段，不久之后，她把阿杰告上了法庭。
阿杰知道，小红很喜欢学习，一有时间便窝在房间里看书，可是，他真的不希望，小红和艾艾一样，一直生活在巨大的压力之下。很快，抚养权争夺一案开庭审理，可是，事态进展的并没有阿琳想象中那么顺利，法官认为，她和阿杰的说法都很有道理，所以，需要进行更加深入的调查。不过，法官给了阿琳暂时性的协助监护权。
一想到阿琳日后要参与小红的生活，阿杰便抑郁不已，在酒吧借酒浇愁时，他和小红的班主任漂亮妹偶遇。漂亮妹非常善解人意，很细心的开导阿杰，由于喝醉了酒，阿杰一时没忍住，把她带回家，发生了关系。尴尬的是，次日清晨，小红刚好看见披着浴巾的漂亮妹，从阿杰的房间里走出来。为此，小红和阿杰吵了一架，不过，她非常懂事，并没有一直揪着此事不放。
第二次庭审，阿琳动员来了小红的父亲，不过，拥有“超级渣男”称号的他起了反作用，非但没能给阿琳提供帮助，反而让法官心中的天平倾斜向了阿杰。得知这件事以后，小红难过至极，她甚至认为，阿杰准备抛弃自己。明争无果，阿琳转而选择暗斗，首先，她买通阿杰的律师，让律师向阿杰提出中转方案，把小红寄养在别人家，直到她拥有自主判断力，可以选择出适合自己的抚养人为止。争夺了这么久，阿杰疲惫至极，所以接受了律师的建议。不过，阿杰没有想到，阿琳悄悄收买了寄养家庭，整日陪伴在小红身边，盯着她学习。
得知了这件事，阿杰立刻来到寄养家庭，准备抢回小红，直到这时，小红才得知，艾艾是自杀的，而原因正是阿琳无休无止的逼迫。为了让阿琳放手，阿杰说出了艾艾一直隐瞒的真相，原来，她生前曾解出过一道千年未解的数学难题，可却没有告诉阿琳。最终，阿杰用那道数学难题的答案，换回了小红。
电影的结尾，小红被送进一所著名大学，和众多天才在一起，学习更高级的数学知识。在这里，小红破解出了一道又一道数学难题。连教授都被她震惊。
其实，小孩子的想法是非常简单的，和自己喜欢的人在一起，用自己喜欢的方式生活。在影片中，阿杰并不是在阻拦小红学习，而是不希望她在阿琳那里耳濡目染，变成一个功利的人，学习，为的是取悦自己，而不是为了换取功名。
