De zevenjarige Olive Hoover leeft in een bijzonder gezin. Haar vader Richard is een mislukte mental coach, haar broer Dwayne weigert te praten, haar oom Frank is homoseksueel en suïcidaal, haar grootvader Edwin is verslaafd aan cocaïne en haar moeder Sheryl begint ook langzamerhand door te draaien. Als Olive dan te horen krijgt dat ze mee mag doen aan de finale van de Little Miss Sunshine wedstrijd, besluit het hele gezin van Albuquerque naar Californië te reizen in hun oude Volkswagenbusje.