Nhạc phim Little Miss Sunshine được giao cho nhà soạn nhạc Mychael Danna cùng ban nhạc DeVotchKa[9]. Dayton và Faris, vốn từng thực hiện rất nhiều video clip ca nhạc, biết đến nhạc của DeVotchKa sau khi nghe bài hát You Love Me do ban này biểu diễn trên đài KCRW[24]. Hai đạo diễn ấn tượng tới mức họ mua iPod cho các diễn viên của đoàn làm phim trong đó có chứa sẵn các đĩa nhạc của DeVotchKa[25]. Cộng tác với DeVotchKa trong phần nhạc phim là nhà soạn nhạc Mychael Danna, người phụ trách sắp xếp và phối các bản nhạc có từ trước cùng các bản nhạc dành riêng cho phim. Cũng vì có nhiều bản nhạc xuất hiện từ trước nên phần âm nhạc của Little Miss Sunshine đã không đủ tiêu chuẩn đề cử cho giải Oscar[26]. Bù lại DeVotchka được trao giải Bài hát trong phim xuất sắc nhất của Giải Satellite 2006[27] và được đề cử (cùng Danna) cho hạng mục nhạc phim của giải Grammy 2007.

Phần lớn các bản nhạc DeVotchKa biểu diễn cho phim được trích từ các đĩa nhạc trước đó của ban, ví dụ như How It Ends (trong phim trở thành The Winner Is), The Enemy Guns và You Love Me, cả ba đều trích từ đĩa How It Ends, ngoài ra còn có La Llorona trích từ Una Volta. Nhạc phim cũng bao gồm hai bài hát của Sufjan Stevens là No Man's Land và Chicago, Catwalkin' của Tony Tisdale và Super Freak của Rick James (bản nhạc dùng cho phần thi tài năng của Olive)[9][28]. Đĩa nhạc phim sau khi phát hành đã leo đến vị trí 42 trong bảng xếp hạng "Top Independent Albums" (đĩa nhạc độc lập) và 24 trong bảng xếp hạng "Top Soundtracks" (đĩa nhạc phim) trong năm 2006[29]. Theo kịch bản của Arndt thì trong phim cũng xuất hiện bài Peach của Prince và Gimme All Your Lovin' của ZZ Top. Gordon Pogoda cũng viết hai bài hát cho phần thi hoa hậu nhí là If Cupid Had a Heart và You've Got Me Dancing (Pogoda viết cùng Barry Upton)[30].