Nathan (Asa Butterfield, kendt fra ‘HUGO’) har altid haft svært ved at knytte sig til andre mennesker. Til gengæld er han uovertruffen, når det kommer til tal og matematik.
Det talent spotter den uortodokse matematiklærer, Martin (Rafe Spall), som sætter sig for at udvikle Nathans evner. Det bliver også starten på et umage venskab. Da Nathan udtages til det matematiske OL, ændrer hans verden sig i takt med at en spirende selvtillid blomstrer og nye venskaber etableres. Han opdager samtidig, at der faktisk også er en plads i verden til sådan en som ham.

X+Y er inspireret af instruktør Morgan Matthews’ egne oplevelser som ung og utilpasset teenage-dreng med et stort talent.