"El teorema de Katherine" es la historia de Colin Singleton, un genio adolescente obsesionado con las chicas llamadas Katherine (ha tenido 19 y todas lo han dejado), quien crea un teorema matemático para predecir el destino de las relaciones amorosas y la probabilidad de que una persona sea dejada o deje a su pareja. Junto a su amigo Hassan, emprende un viaje a Gutshot, Tennessee, donde vivirá experiencias que lo harán reflexionar sobre la vida, la amistad y la inteligencia, culminando en una comprensión de que no todo se puede explicar con las matemáticas.