Little Miss Sunshine vertelt het verhaal van de familie Hoover. Vader Richard, een motivatiecoach, probeert wanhopig zijn stappenplan voor succes aan de man te brengen. Moeder Sheryl waakt over haar homoseksuele broer Frank, een eminente Proustkenner, die net het ziekenhuis verlaten heeft. Dochter Olive droomt ervan een missverkiezing te winnen. Zoon Dwayne weigert een woord te spreken tot hij aan zijn opleiding bij de luchtmacht mag beginnen. Het oudste lid van de familie, Opa Edwin, is permanent onder invloed van allerhande drugs. Wanneer Olive het bericht krijgt dat ze mag deelnemen aan de prestigieuze wedstrijd Little Miss Sunshine in Californië, kruipt de hele familie in een aftandse Volkswagen voor een trip die drie tergend lange dagen duurt.