Syvårige Olive Hoover drømmer om at vinde skønhedskonkurrencen Little Miss Sunshine, og selvom hun har et ret almindeligt udseende, et par kilo for meget på sidebenene og tykke briller bakker hendes mærkværdige, men også elskelige familie, op om hende. Derfor tager hele familien af sted i deres gamle folkevognsrugbrød og kører fra Albuquerque til Californien, hvor konkurrencen foregår. Turen byder på mange morsomme oplevelser og store personlige omvæltninger. Da de er fremme, bliver det nødvendigt for dem at tage alternative metoder i brug for at Olive kan vinde konkurrencen.