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 fraîchement sorti de l'hôpital après avoir été congédié par son amant.
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...
