Els Hoover són una família molt peculiar: l’avi pren cocaïna i amolla paraulotes, el pare fracassa estrepitosament quan dona cursos per assolir l’èxit. La mare, per la seva banda, no dona a l’abast, l’oncle es recupera d”un suïcidi frustrat després de ser abandonat pel seu xicot,  el fill adolescent llegeix Nietzsche i pateix un mutisme absolut. A més, Olive, la filla petita, una nina que du ulleres i és més aviat grassoneta, vol ser una reina de la bellesa. Quan, gràcies a un cop de sort, la conviden a participar en el concurs de ‘Petita Miss Sunshine’, a Califòrnia, l’acompanya tota la família.
Amuntegats en una atrotinada furgoneta Volkswagen, es dirigeixen cap a l’oest en un tragicòmic periple de tres dies ple d’inesperades sorpreses. El debut d’Olive serà el detonant d’un canvi profund en aquesta família d’inadaptats.