Los Hoover son una familia conflictiva: el abuelo esnifa cocaína y suelta palabrotas, el padre da cursos sobre el éxito con estrepitoso fracaso, la madre no da abasto, el tío se recupera de un suicidio frustrado al ser abandonado por su novio, el hijo adolescente lee a Nietzsche y se niega a hablar, y la hija pequeña, Olive, gafotas y rellenita, quiere ser una belleza. Cuando un golpe de suerte lleva a Olive a ser invitada a participar en el muy competitivo concurso de Pequeña Miss Sunshine en California, toda la familia se reúne para ir con ella. Se apilan en su oxidada furgoneta Volkswagen y se dirigen hacia el Oeste en un periplo de tres días lleno de sorpresas que les lleva al gran debut de Olive.