Sheryl Hoover es la agotada madre de dos niños, que vive en . Su hermano Frank es un estudioso del escritor francés que vive temporalmente en la casa con la familia después de haber intentado suicidarse. Richard
su esposo, trata de construir una carrera como motivador profesional. Dwayne el hijo de Sheryl de un matrimonio anterior, es un adolescente conflictivo que ha jurado mantener silencio hasta cumplir su sueño de convertirse en . El padre de Richard, Edwin , un veterano de la recientemente expulsado de un asilo para ancianos por usar y vender , también vive con la familia; tiene una relación muy estrecha con su nieta de siete años de edad, Olive
Olive descubre que se ha clasificado para el concurso de belleza "Little Miss Sunshine", el cual se llevaría a cabo en California, dentro de dos días. Sus padres y Edwin, quienes la habían estado entrenando, quieren apoyarla, pero ni Frank ni Dwayne pueden quedarse solos, por lo que parte de la familia completa. Dado que tienen poco dinero, se embarcan en un viaje por carretera de 1287 kilómetros en su amarillo.
Las tensiones entre los miembros de la familia salen a la luz durante el viaje, mientras que la vieja camioneta va presentando cada vez más problemas mecánicos. A lo largo del viaje, la familia sufre numerosos percances y descubre que necesitan el apoyo del otro. Richard pierde un importante contrato que podría haber alentado su negocio de motivador; Frank se encuentra con un ex novio quien, al haberlo dejado por su rival profesional, había precipitado su intento de suicidio; Edwin muere inesperadamente tras una aparente sobredosis de heroína. La familia decide poner fin al viaje debido a su muerte y a las imposibilidades impuestas por el hospital pero Richard los convence de continuar ya que su padre había apoyado mucho a Olive para el concurso. Para ello la familia se lleva ilegalmente su cuerpo del hospital y planean llevar a cabo el funeral después del concurso. Durante el transcurso del viaje, Dwayne descubre que es
daltónico, y Frank le dice que jamás podría pilotar un avión con este problema, por lo que el adolescente rompe su silencio, muestra su ira y desprecio hacia su familia y se niega a continuar. Huye llorando de la camioneta, pero logra calmarse después de que Olive lo abraza. Finalmente regresa al viaje y después un polícia los detiene y les ordena que abran la cajuela donde llevan el cuerpo, Richard la abre mientras la familia se pone en gran nerviosismo por estar a punto de ser sorprendidos pero el polícia no se percata en lo absoluto gracias a una revista pornográfica que Frank había comprado en el camino y que distrae completamente su atención.
Finalmente, después de una carrera frenética contrarreloj, Olive es rechazada para el concurso por llegar al hotel donde se realizaría la ceremonia cuatro minutos tarde pero Richard después de rogar bastante los convence y la admiten. Mientras se prepara, la familia observa a las niñas contra las que competiría: preadolescentes con cuerpos esbeltos, desarrollados, con cabellos estilizados, maquilladas, vestidas con trajes de baño para adultos y con glamorosos vestidos de noche, listas para realizar bailes, musicales y rutinas de gimnasia sumamente elaboradas. Rápidamente se dan cuenta de que Olive (plana, pálida, algo rellenita, con grandes anteojos y no acostumbrada a las convenciones de los concursos de belleza) no es competencia alguna.
Cuando falta poco para que llegue el turno de Olive de realizar su acto en la prueba de talentos del concurso, Richard y Dwayne reconocen que es evidente que la niña sería humillada y, para prevenir que hieran sus sentimientos, corren a los vestidores y le hablan de cómo debería actuar. Sheryl, sin embargo, insisten en que "la dejen ser Olive", y la niña sale al escenario. Lleva a cabo, feliz, la rutina de baile que el abuelo había preparado en secreto para ella: una actuación de "
Super Freak", de
Rick James, sin darse cuenta, inocentemente, de la reacción escandalizada y horrorizada de la audiencia y de los jueces del concurso. Los organizadores, furiosos, les ordenan a Richard que saque a Olive del escenario. En lugar de hacerlo la apoya y toda la familia sube con la niña al escenario y bailan con ella.
En la siguiente escena, la familia se encuentra afuera de la oficina de la seguridad del hotel, donde un oficial de policía les dice que son libres de irse con la condición de que Olive jamás volviese a participar en un concurso de belleza en el estado de California. Richard le dice a su hija que su abuelo estaría muy orgulloso de ella, y la familia sube felizmente a la vieja y deteriorada camioneta para regresar a su hogar en Albuquerque.
