Le père de la famille Hoover, Richard (Greg Kinnear), coach incorrigiblement optimiste, tente désespérément de vendre son "Parcours vers le succès en 9 étapes", sans grand succès, hélas. La mère, Sheryl (Toni Collette), à la morale rigoureuse, est constamment mise à l'épreuve par sa famille, dont elle tente de dissimuler les travers, en particulier ceux de son frère (Steve Carell), spécialiste suicidaire de Proust fraîchement sorti de l'hôpital après avoir été congédié par son amant. Les enfants Hoover ne sont pas non plus dépourvus de rêves improbables : la fille de sept ans, Olive (Abigail Breslin), binoclarde un peu enrobée, se rêve en reine de beauté, tandis que Dwayne (Paul Dano), son agressif de frère, grand lecteur de Nieztsche, a fait voeu de silence jusqu'à son entrée à l'Air Force Academy. Pour couronner le tout, le grand-père (Alan Arkin), hédoniste à la langue bien pendue, vient de se faire virer de la maison de retraite pour avoir sniffé de l'héroïne.

Les Hoover ont beau ne pas incarner un modèle de famille équilibrée, quand Olive décroche par chance une invitation à concourir pour le titre très sélectif de Little Miss Sunshine en Californie, toute la famille fait cependant 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, tandis que les débuts d'Olive vont bouleverser cette famille farfelue à un point que personne ne peut soupçonner...