Les Hoover, famille d'Américains moyens d'Albuquerque, ont la surprise de voir leur fille, la petite Olive, sélectionnée pour le concours de Little Miss Sunshine en Californie. Les voilà entassés dans leur break Wolkswagen rouillé, cap vers l'Ouest. Un voyage tragi-comique de trois jours qui mettra cette troupe de farfelus aux prises avec des événements inattendus...