Un home es passeja enmig del desert sense saber qui és. El seu germà el troba, i l'ajuda a refer la vida que portava abans d'abandonar la seva dona i el seu fill de quatre anys. A mesura que recupera la memòria, li fa posar-se en contacte amb persones del seu passat.

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.

El xèrif Wallace ha decidit venjar-se per una ofensa personal empaitant un camioner llegendari a qui anomenen l'Ànec de Goma. El que no espera és que la resta de conductors ha decidit donar suport al seu company i han format un comboi de camions d'una milla de llarg que no s'aturarà davant de res. Gradualment, s'hi afegeixen més i més vehicles al cada vegada més llarg comboi, retronant per les carreteres pel maltractament que reben de la policia i dels polítics, els quals provaran de detenir-los o bé de manipular-los electoralment.