Olive es una niña con un sueño: ganar el concurso de Little Miss Sunshine. Su familia quiere que su sueño se realice, pero ellos estan ocupados con sus propios caprichos, neurosis, y problemas que ellos apenas pueden pasar un día sin que algún desastre ocurra. El padre de Olive, Richard, es un fracaso como orador motivational, y apenas habla con su madre. El tío de Olive, Frank, un erudito renombrado Proust, tiene la tentativa de suicidio después de un romance fracasado con un estudiante. Su hermano Dwayne, un seguidor fanático de Nietzsche, ha tomado un voto de silencio, que le permite escaparse algo de la familia cuya sola presencia le atormenta.
Y el abuelo de Olive es un adicto a las drogas, pero al menos él con entusiasmo entrena a Olive en el apartado de talento del concurso. Las circunstancias conspiran para terminar llevando a toda la familia hacia un viaje con el objetivo de llevar a Olive al concurso de Little Miss Sunshine en una muy lejana California.