La famille Hoover est un clan particulièrement excentrique et dysfonctionnel du Nouveau-Mexique. Lorsque la jeune Olive, sept ans, est qualifiée pour le concours de beauté de Little Miss Sunshine en Californie, toute la famille s'embarque dans un break Volkswagen jaune délabré pour un road trip de trois jours. Entre un grand-père junkie, un oncle suicidaire et un frère ayant fait un vœu de silence, le voyage s'annonce explosif. Cette aventure collective va forcer chaque membre à redécouvrir le sens de la solidarité familiale face aux échecs de la vie.