Der Motivationstrainer Richard Hoover (Greg Kinnear), der seinen Seminarteilnehmern zu erklären versucht, wie sie Gewinner werden („Refuse to Lose“), lebt mit seiner Ehefrau Sheryl (Toni Collette), seinem Vater Edwin (Alan Arkin) und den beiden Kindern Dwayne (Paul Dano) und Olive (Abigail Breslin) in Albuquerque, New Mexico. Sheryl holt ihren Bruder Frank Ginsberg (Steve Carell) nach einem missglückten Selbstmordversuch aus dem Krankenhaus und nimmt ihn mit in die Familie, damit er nicht allein ist.

Beim Abendessen wundert sich Frank darüber, dass sein Neffe Dwayne kein Wort sagt. Der Fünfzehnjährige hat sich vor neun Monaten vorgenommen, erst wieder zu sprechen, wenn er von der US Air Force zum Testpiloten ausgebildet wird. Auf Franks Frage, ob Dwayne keine Freunde habe, schreibt dieser auf einen Zettel, er hasse alle Menschen, und auf die Nachfrage, ob er da auch seine Familienangehörigen einbeziehe, unterstreicht Dwayne das Wort „alle“. Die siebenjährige Olive erkundigt sich nach dem „Unfall“, den ihr Onkel hatte, und zum Entsetzen Richards erklärt Sheryl ihr, Frank habe sich das Leben nehmen wollen. Nun will Olive wissen, welchen Grund er dafür hatte, und Frank antwortet, er sei unglücklich in seinen früheren Kollegen Larry Sugarman (Gordon Thomson) verliebt gewesen.

Sheryls Schwester Cindy (Jill Talley) ruft an und teilt mit, dass Olive aufgrund der nachträglichen Disqualifizierung der Siegerin die Wahl zur Little Miss Sunshine des Bundesstaates New Mexico gewonnen habe. Olive kreischt vor Freude, denn nun ist sie berechtigt, sich am Wettbewerb um den Titel der Little Miss Sunshine der USA in Los Angeles zu beteiligen.

Weil Fliegen zu teuer ist und Sheryl weder ihren labilen Sohn noch ihren selbstmordgefährdeten Bruder in Albuquerque zurücklassen möchte, bleibt Richard nichts anderes übrig, als mit der Familie in seinem alten VW-Bus loszufahren. Auch sein Vater kommt mit, denn er hat seine Enkelin für die Wahl zur Little Miss Sunshine trainiert. Unterwegs rät er Dwayne, sich nicht mit einer Frau zufrieden zu geben, sondern möglichst viele zu ficken. Obwohl er selbst Kokain schnupft und Heroin spritzt, warnt er seinen Enkel vor Drogen; die seien nur etwas für alte Leute wie ihn, die ohnehin nicht mehr lange leben.

Auf halber Strecke geht die Kupplung des VW-Busses kaputt. In der Werkstatt heißt es, die Lieferung der benötigten Ersatzteile werde einige Tage dauern. Solange können die Hoovers nicht warten, wenn sie rechtzeitig nach Los Angeles kommen wollen. Der Mechaniker (Julio Oscar Mechoso) erklärt Richard daraufhin, er könne den Wagen auch ohne Kupplung fahren, wenn er ihn zum Anlassen über einen Hang hinunterrollen oder schieben lasse und dann gleich den dritten Gang einlege.

An einer Raststätte begegnet Frank zufällig Larry Sugarman, der mit seinem neuen Freund unterwegs ist und sich über die heterosexuellen Pornohefte wundert, die Frank gerade gekauft hat. Er ahnt nicht, dass die Magazine für Edwin sind.

Bei jeder Gelegenheit ruft Richard einen Kollegen an, der ihm versprach, einen Verlag für das Buch zu finden, in dem er beschreibt, wie man in neun Stufen zum Gewinner wird. Als er Stan Grossman (Bryan Cranston) endlich erreicht, sagt dieser ihm, er habe alles versucht, aber niemand wolle das Buch veröffentlichen. Richard, der fest mit dem dringend benötigten Honorar gerechnet hat, ist am Boden zerstört. In einem Motel leiht er sich ein Moped und fährt damit zu dem Hotel in Scottsdale, Arizona, in dem Stan Grossman gerade ein Seminar zum Thema „Dynamic Strategy“ hält. Aber das Gespräch endet im Streit.

Am nächsten Morgen wacht Edwin nicht mehr auf. Im Krankenhaus kann nur noch der Tod des alten Mannes festgestellt werden. Die Seelsorgerin Linda (Paula Newsome) erklärt den Hinterbliebenen gefühlskalt, welche Formalitäten sie abzuwickeln hätten. Weil die Hoovers keine Zeit dafür haben, schmuggeln sie die Leiche durch ein Fenster ins Freie und packen sie hinten in den VW-Bus.

Als die Hupe klemmt, wird ein Streifenpolizist auf den VW-Bus aufmerksam und hält Richard an. Die Hoovers rechnen mit dem Schlimmsten, als er die hintere Ladeklappe öffnen lässt, doch als er dort Edwins Pornohefte entdeckt, schaut er nicht weiter nach, sondern konfisziert nur die Magazine.

Während der Weiterfahrt stellt sich zufällig heraus, dass Dwayne farbenblind ist. Damit platzt sein Traum, Testpilot zu werden.

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Drei Minuten nach Anmeldeschluss treffen die Hoovers in dem Hotel in Los Angeles ein, in dem die Wahl zur Little Miss Sunshine stattfindet. Richard organisiert noch rasch, dass die Leiche seines Vaters von Bestattungsunternehmern abgeholt wird. Als er sieht, dass die kleinen Teilnehmerinnen wie erwachsene Models hergerichtet sind und sich auch so bewegen, will er seine pummelige Tochter vor einer Blamage bewahren. Olive hat jedoch von ihm gelernt, dass man ein Verlierer sei, wenn man eine Herausforderung nicht annimmt und es nicht wenigstens versucht, Erfolg zu haben. Sie geht mutig auf die Bühne, widmet ihren Auftritt ihrem „Opa im Kofferraum“ und zeigt, was er ihr beigebracht hat: Einen Striptease! Die entsetzten Veranstalter lassen Olive und ihre Angehörigen von der Polizei festnehmen. Freigelassen werden sie nur unter der Bedingung, dass sie sich verpflichten, Olive nie wieder an einem Schönheitswettbewerb in Kalifornien teilnehmen zu lassen.