Poznajcie rodzinę Hoover: Olive, siedmioletnia, tłuściutka kandydatka na królową piękności; jej ojciec, Richard, walczący o uznanie "doradca życiowy"; jej mama, Sheryl, która musi przywieźć do domu swego brata Franka - proustologa po nieudanej próbie samobójczej. Frank zamieszka w jednym pokoju z jej synem Dwaynem, wielbicielem Nietzschego, który poprzysiągł milczenie, aż dorośnie do wieku, kiedy będzie mógł zostać pilotem myśliwca. Jest i dziadek, usunięty niedawno z domu spokojnej starości za niuchanie heroiny. Cała rodzina rusza w drogę, by odwieźć Olive na konkurs piękności Little Miss Sunshine.

Tragikomiczne perypetie rodziców, który zabierają swą kilkuletnią córkę na konkurs piękności dla dzieci, ciągnąc za sobą na drugi koniec Ameryki: uzależnionego od narkotyków dziadka; wujka-geja, który dopiero co wyszedł ze szpitala psychiatrycznego i starszego syna, który złożył śluby milczenia.

Konkurs piękności dziewczynek "Little Miss Sunshine" cieszy się ogromną sławą. Siedmioletnia Olive, z lekką nadwagą, zajmuje 2 miejsce w okręgowych eliminacjach, ale nie przechodzi dalej. Na kilka dni przed finałem otrzymuje telefon, że wykryto aferę z tabletkami na dietę i zakwalifikowała się do finału! Razem ze swoją rodziną: bratem, który złożył śluby milczenia, dziadkiem heroinistą, wujem homoseksualistą po próbie samobójczej, ojcem, który pragnie interesu życia i matką, która chce dla nich jak najlepiej, wyrusza w podróż, aby dotrzeć na konkurs. Po drodze jednak nie raz życie płata im niespodzianki, a ich dojazd wisi na bardzo cienkim włosku.

Mała Olive Hoover (Abigail Breslin) marzy o zwycięstwie w konkursie piękności. Jej pragnienia mogą się spełnić, gdy okazuje się, że ma szansę na wystąpienie w jednych z najbardziej prestiżowych zawodów miss nastolatek - Little Miss Sunshine. Razem ze zwariowaną rodziną wyrusza do Kalifornii. Po drodze spotyka ich mnóstwo zabawnych sytuacji, ale i bardzo smutnych oraz pouczających. Wiele razy złamią oni prawo. Tymczasem dziadek - erotoman (Alan Arkin) uczy Olive doskonałej, przynajmniej według niego, choreografii tanecznej, nie ujawniając jej nawet rodzicom dziewczynki.

Rodzina Hooverów składa się z dość oryginalnych jednostek - dziadka heroinisty (Alan Arkin), największego (i najstarszego) buntownika familii; Richarda (Greg Kinnear), owładniętego obsesją sukcesu bankruta; Franka (Steve Carell), homoseksualnego badacza twórczości Prousta i niedoszłego samobójcy; Dwayne'a (Paul Dano) - młodego wielbiciela Nietzschego, ćwiczącego swą wolę mocy w próbie milczenia. Najmłodsza z rodziny Olive (Abigail Breslin), pulchna, inteligentna, pełna determinacji dziewczynka, marzy o zwycięstwie w konkursie piękności Little Miss Sunshine. Jej choreografem, a jednocześnie przewodnikiem życiowym jest dziadek. Każdy z członków rodziny (oprócz matki Sheryl, o której wiemy najmniej) jest zapatrzony w swoje własne, jednostkowe cele, marzenia i dążenia. Dopiero absolutnie kiczowaty i typowo amerykański konkurs piękności dla małych modelek paradoksalnie jednoczy rodzinę.

Ojciec - Richard (Greg Kinnear) beznadziejny terapeuta od motywacji, próbuje sprzedać swój program osiągania sukcesu... bez sukcesu. Tymczasem otwarta i szczera mama, Sheryl (Toni Collette), bezustannie zadręcza się ekscentrycznymi problemami swej rodziny, zwłaszcza tym, że jej brat (Steve Carell), ogarnięty manią samobójczą badacz Prousta, właśnie wyszedł ze szpitala, dokąd trafił porzucony przez swego kochanka. Są także najmłodsi Hooverowie - siedmioletnia pulchna okularnica Olive (Abigail Breslin), która marzy o udziale w konkursie piękności, oraz Dwayne (Paul Dano), nastoletni młody gniewny i miłośnik Nietzschego, który złożył ślub milczenia do chwili, kiedy nie dostanie się do Akademii Lotniczej. Zmorą rodziny jest dziadek (Alan Arkin), wyrzucony właśnie z domu starców z powodu swego skandalicznego zachowania. Gdy jednak Olive otrzymuje zaproszenie do udziału w konkursie małych piękności "Little Miss Sunshine" w Kalifornii, chcąc jej towarzyszyć, cała rodzina wpycha się do swego zardzewiałego Volkswagena busa i rusza na zachód. To wspólne doświadczenie odmieni los jawnie nieudacznej rodziny w sposób, o jakim nawet nie mogli marzyć.