Els Hoover són una família desestructurada: l'avi esnifa cocaïna i diu paraulotes, el pare fa cursos sobre l'èxit amb estrepitós fracàs, la mare no dóna l'abast, l'oncle es recupera d'un suïcidi frustrat en ser abandonat pel seu xicot, el fill adolescent llegeix Nietzche i es nega a parlar, i la filla petita, l'Olive, una nena amb ulleres i lleugerament grassoneta, vol participar en concursos de bellesa. Quan un cop de sort porta l'Olive a ser convidada a participar al molt competitiu concurs de 'Petita Miss Sunshine' a Califòrnia, tota la família Hoover es reuneix per anar amb ella. S'apilen en la seva oxidada furgoneta Volkwagen i es dirigeixen cap a l'oest en un tragicòmic periple de tres dies, ple de boges sorpreses que els porta al gran debut de l'Olive, el qual canviarà a aquesta família d'inadaptats d'una forma que mai haguessin imaginat.

1851. L'Ada és una dona muda des dels sis anys que només es comunica a través de la música i de la seva filla, Flora. Un matrimoni concertat l’obliga a deixar la seva Escòcia natal acompanyada de la filla i el piano. El seu destí és Nova Zelanda, on l’espera l'Stewart, un granger amb qui no té res en comú. El seu patiment augmenta quan el seu marit ven el piano all seu veí George. Però l'Ada aconseguirà continuar tocant a canvi de fer classes en George.

Després de descobrir que la seva estimada matriarca pateix un càncer de pulmó terminal, la seva família decideix que ella no ho sàpiga, i convoquen una reunió familiar a la Xina on s'espera que hi acudeixin tots els membres que l'han conegut al llarg de la seva vida. Encara que els pares de Billi, que viuen a Nova York, es neguen a participar en allò que per a ells és una farsa, la seva jove i tossuda filla posa rumb a la Xina per poder acomiadar-se de la seva àvia i, de passada, tornar a forjar els vincles perduts amb la família a causa de la distància.