Die kleine Olive Hoover freut sich. Gerade hat sie mitgeteilt bekommen, dass für sie eine Chance besteht, "Little Miss Sunshine" zu werden! Olives Familie entscheidet, das leicht pummelige Mädchen in voller Besetzung beim Wettbewerb zu unterstützen. Kurz darauf befindet sich die schräge Truppe schon auf dem Weg zum Austragungsort in New Mexiko. Im alten, gelben VW-Bus sitzen: Der überoptimistische Vater Richard (Greg Kinnear), der obszöne Opa (Alan Arkin), die überforderte Mutter Sheryl (Toni Collette), ihr suizidgefährdeter Bruder Frank (Steve Carell), der Nietzsche-lesende und kein Wort von sich gebende Teenager-Sohn Dwayne (Paul Dano) und natürlich die fröhliche Olive. Vor ihnen allen liegt eine chaotische Reise, die einige Anstrengungen bereithalten, aber auch für eine gegenseitige Annäherung sorgen wird.