Little Miss Sunshine raconte l'histoire de la famille Hoover. La fille de sept ans, Olive, se rêve en reine de beauté. Quand elle décroche une invitation à concourir pour le titre très sélectif de `Little Miss Sunshine' en Californie, toute la famille décide de faire corps derrière elle. Les voilà donc entassés dans leur break Volkswagen rouillé, ils mettent le cap vers l'ouest et entament un voyage de trois jours qui les mettra aux prises avec des événements inattendus.