L'histoire des Hoover. Le père, Richard, tente désespérément de vendre son "Parcours vers le succès en 9 étapes". La mère, Sheryl, tente de dissimuler les travers de son frère, spécialiste suicidaire de Proust. Les enfants Hoover ne sont pas non plus dépourvus de rêves improbables : la fille de 7 ans, Olive, se rêve en reine de beauté, tandis que son frère Dwayne a fait voeu de silence jusqu'à son entrée à l'Air Force Academy. Quand Olive 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 tragi-comique de trois jours qui les mettra aux prises avec des événements inattendus.