De zevenjarige Olive Hoover is geboren in een familie van excentriekelingen: haar vader Richard is een mislukte mental coach, haar broer Dwayne weigert te praten, haar oom Frank is homoseksueel en suïcidaal, opa Edwin is verslaafd aan cocaïne en haar moeder Sheryl begint ook langzamerhand door te draaien. Wanneer Olive 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 gele Volkswagenbusje.