Los Hoover son una familia muy peculiar: el abuelo esnifa cocaína y suelta palabrotas, el padre fracasa estrepitosamente dando cursos para alcanzar el éxito, la madre no da abasto, el tío se está recuperando de un suicidio frustrado tras ser abandonado por su novio, el hijo adolescente lee a Nietzsche y guarda un mutismo absoluto. Y Olive, la hija pequeña, una niña gafotas y más bien gordita, quiere ser una reina de la belleza. Cuando, gracias a un golpe de suerte, la invitan a participar en el concurso de 'Pequeña Miss Sunshine, en California, la acompaña toda la familia. Hacinados en una destartalada furgoneta Volkswagen, se dirigen hacia el Oeste en un trágicómico periplo de tres días lleno de inesperadas sorpresas. El debut de Olive será el detonante de un cambio profundo en esta familia de inadaptados.