Los Hoover son una desestructurada familia americana compuesta por un padre que intenta ganarse la vida publicando una teoría sobre cómo alcanzar el éxito, una madre permisiva por puro agotamiento y sus dos hijos: Dwayne, adolescente en fase de rebeldía con voto de silencio incluido, y Olive, una niña optimista cuyo sueño es ser reina de la belleza. Completan la peculiar familia su abuelo rockero adicto a las drogas y su tío homosexual con tendencias suicidas. Un golpe de suerte hace que la pequeña Olive quede finalista en un competitivo concurso de belleza infantil llamado Pequeña Miss Sunshine que se celebra en California. La familia al completo inicia un largo viaje en su llamativa y destartalada furgoneta amarilla, viaje que pronto se convertirá en un cómico caos que desembocará en la transformación de esta familia.