Filmen handler om en dysfunksjonell families kjøretur fra Albuquerque i New Mexico til California, fordi niåringen Olive Hoover har fått muligheten til å delta i en skjønnhetskonkurranse for jenter. Olives mor, Sheryl Hoover, forsøker etter beste evne å få alle i familien til å opptre harmonisk og ta hensyn til hverandre, men foruten Olive er det ingen av familiemedlemmene som er særlig samarbeidsvillige. Sheryls ektemann Richard Hoover har utviklet et selvutviklingsprogram som han håper skal gjøre ham rik og berømt; programmet går ut på å rendyrke en vinnerkultur, og Richard innprenter i sin familie hvor viktig det er å være en vinner og ikke en taper. Sheryl og Richard er foreldre til Olive; sammen med dem bor også Sheryls tenåringssønn Dwayne, og Richards far Edwin. Samme dag som familien Hoover får beskjeden om at Olive har fått plass i konkurransen «Little Miss Sunshine» i California, har Sheryl hentet sin bror Frank på sykehuset. Han har forsøkt å ta livet av seg, og siden legen på sykehuset mener det er overhengende fare for at han vil gjøre et nytt selvmordsforsøk, har Sheryl besluttet at Frank må bli med hjem til henne slik at det alltid er noen som kan holde oppsyn med ham.