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.

La vida de l'Olfa, tunisiana i mare de quatre filles, oscil·la entre la foscor i la llum. Un dia, les seves dues filles majors desapareixen. Per a suplir la seva absència, la directora Kaouther Ben Hania recorre a actors professionals i estableix un extraordinari mecanisme cinematogràfic destinat a revelar la història de l'Olfa i les seves filles.

Quan un aspirant a autor i la seva germana d'esperit lliure s'enamoren de l'enigmàtic convidat de pagament a casa seva, els esdeveniments següents sacsegen la seva família tradicional.