Quando a jovem Olive ganha a oportunidade de participar da final do concurso de beleza infantil "Little Miss Sunshine", toda a família se mobiliza para lhe permitir o sonho, embarcando numa divertida e atribulada viagem até à Califórnia numa carrinha "pão-de-forma" a cair aos pedaços. Mas esta família tem tudo menos normalidade: o pai é um orador motivacional fracassado, a mãe está à beira de um colapso nervoso, o irmão mais velho é um adolescente revoltado que fez voto de silêncio contra a família, o avô é um pervertido e o tio é um homossexual com tendências suicidas que sabe tudo sobre Marcel Proust.