Little Miss Sunshine xoay quanh câu chuyện của một gia đình 6 người sống tại Albuquerque, New Mexico, Mỹ. Đó là cặp vợ chồng Sheryl Hoover (Toni Collette), một bà mẹ của hai đứa con luôn quá tải vì công việc hay những rắc rối trong gia đình và Richard (Greg Kinnear), một nhà diễn thuyết môn nghệ thuật sống luôn làm cả gia đình chán nản vì những bài giảng nhạt nhẽo về "9 bước để đi tới thành công" của ông. Hai đứa trẻ trong gia đình là Dwayne (Paul Dano), một thiếu niên hâm mộ Nietzsche và thề im lặng cho tới lúc vào được trường phi công, em gái của cậu là Olive (Abigail Breslin), cô bé 7 tuổi luôn ấp ủ giấc mộng trở thành một hoa khôi. Sống cùng với gia đình Olive còn có ông nội cô bé là Edwin (Alan Arkin), một ông già "tay chơi" nghiện ma túy và ăn nói bạt mạng, cùng Frank (Steve Carell), anh trai của Sheryl, một học giả đồng tính tự nhận mình là chuyên gia hàng đầu nước Mỹ về Proust nhưng cũng suy sụp tới mức tự tử không thành sau những thất bại đời tư và công việc.

Giấc mơ trở thành hoa khôi của Olive bất chợt được nhen nhóm khi cô bé có cơ hội đi tham gia cuộc thi hoa khôi nhí Little Miss Sunshine tổ chức ở Redondo Beach, California. Do không đủ tiền đi máy bay, cả gia đình 6 người quyết định đi từ New Mexico tới California bằng đường bộ trên chiếc xe cũ kỹ VW Bus. Những mâu thuẫn, căng thẳng trong gia đình của Olive bắt đầu bộc phát trên chuyến hành trình mệt mỏi, cộng thêm vào đó là chiếc VW Bus dở chứng hỏng cần số buộc cả nhà mỗi lần muốn khởi động nó lại phải đẩy xe trên một quãng dài.

Trong đêm nghỉ lại đầu tiên tại nhà trọ, ông lão Edwin đột ngột qua đời vì hít heroin quá liều. Trong lúc cả gia đình vội vã vì sợ muộn cuộc thi của cô bé Olive thì bệnh viện lại bắt họ phải chờ đợi để được làm thủ tục an táng cho ông Edwin, việc này buộc Richard đánh liều chuyển trộm xác của người cha lên chiếc VW để tiếp tục cuộc hành trình xuyên bang. Chưa đi đến đích thì chiếc xe lại tiếp tục hỏng còi khiến nó kêu inh ỏi trên đường làm cảnh sát chú ý và buộc Richard đỗ xe lại để kiểm tra. Trong lúc cả gia đình tỏ rõ sự lo sợ viên cảnh sát sẽ phát hiện ra cái xác của ông Edwin (việc chuyển xác từ bang này qua bang khác mà không có giấy tờ là bất hợp pháp) thì những tạp chí khiêu dâm do ông Edwin nhờ Frank mua trước đó lại cứu họ, viên cảnh sát tưởng nhầm thái độ lo lắng của Richard là chỉ do những tạp chí này và vì thế cho họ đi mà không kiểm tra tiếp. Cuộc hành trình lại gặp một rắc rối mới khi bất ngờ Dwayne phát hiện ra mình mắc bệnh mù màu, đồng nghĩa với việc cậu không bao giờ có thể trở thành phi công. Trong trạng thái hoảng loạn cậu đập xe bắt mọi người dừng lại rồi lao ra ngoài hét lớn đồng thời cất tiếng lần đầu tiên sau 9 tháng, cậu chửi bới cả gia đình và tuyên bố ghét tất cả mọi người trong nhà. Lúc này chính cô bé Olive lại là người an ủi được anh trai và khiến cả nhà có thể tiếp tục lên đường.

Cao trào của phim là cuộc thi hoa hậu nhí Little Miss Sunshine. Sau khi cả gia đình rất khó khăn, thậm chí là Richard phải lạy lục, để bé Olive được đăng ký (do cô bé đến muộn 4 phút so với hạn chót), mọi người mới phát hoảng khi nhận ra rằng đối thủ của cô bé đều rất chuyên nghiệp trong việc tranh tài, từ đầu tóc, quần áo, trang điểm, không một thí sinh nào, trừ Olive, coi cuộc thi này là "nhí" cả, trông các cô bé ăn mặc, cư xử giả hệt như người lớn. Sợ Olive sẽ tổn thương khi phải so sánh với các thí sinh khác trên sân khấu, Richard và Dwayne đã đề nghị Sheryl khuyên cô bé rút lui, nhưng Sheryl đã cho chính Olive quyết định và cô bé đã quyết tâm tiếp tục tham gia thi, một phần là để thể hiện phần thi tài năng mà cô đã tập rất lâu cùng với ông nội của mình. Cuối cùng thì hóa ra điệu nhảy Olive tập luyện cùng ông già Edwin lại là một điệu nhảy khêu gợi của các vũ nữ (vốn là chủ đề yêu thích của ông Edwin), điều này làm đa số khán giả trong hội trường tức giận bỏ ra ngoài, kể cả giám khảo chính của cuộc thi. Chính vị giám khảo này cũng đề nghị người dẫn chương trình lôi cô bé khỏi sân khấu khi chưa hoàn thành tiết mục. Người này chưa kịp thực hiện mệnh lệnh của bà giám khảo khó tính thì đã bị Richard vật ngã ngay trên sân khấu, và để bảo vệ cô bé hoàn thành nốt phần thi, cả ba người đàn ông trong gia đình là Richard, Frank và Dwayne đã cùng nhảy lên sân khấu biểu diễn cùng Olive.

Vì "phá hoại cuộc thi", cả gia đình nhà bé Olive bị mời về sở cảnh sát và chỉ được thả sau khi hứa sẽ không để cô bé tham gia bất cứ cuộc thi sắc đẹp nào trong phạm vi bang California nữa. Cả gia đình lại lên chiếc VW để trở về nhà, nhưng lần này bên cạnh tiếng còi hỏng inh ỏi là những tiếng cười của tất cả mọi người.