Olive é uma miúda de 7 anos que tem um sonho: vencer o concurso da “Little Miss Sunshine”. A sua família deseja também que esse sonho se concretize, mas como estão sempre ocupados com os seus próprios sofismas, neuroses e problemas, mal têm tempo para pensar nisso.
Richard, o pai de Olive, é um fracasso como orador, continuamente preocupado  com a sua “filosofia barata” e em vender o seu programa “ 9-Step”. A mãe, Sheryl,  é a favor da verdade acima de tudo.  O seu tio Frank, um professor de filosofia gay, tentou suicidar-se depois de um romance fracassado com um dos seus alunos. O seu irmão Dwayne,  um adolescente seguidor fanático de Nietzsche, fez votos de silêncio o que lhe permite isolar-se da família que o atormenta.  E o avô de Olive, apesar de ser um desbocado e viciado em heroína, é o único que a entusiasma a seguir o seu sonho. Podem não ser a imagem de uma família no seu estado de saúde mental perfeito, mas acabam todos por se juntar, numa viagem estrada fora até à Califórnia, para levar Olive a participar no concurso “Little Miss Sunshine”…