말 없고 조용한 소년 코디는 엄마를 따라 돌아가신 이모의 집으로 오게 된다. 집을 팔기 위해 정리를 하는 동안, 코디는 옆집에 사는 퇴역 군인인 델과 가까워진다. 델은 또래 남자아이들과 잘 어울리지 못하는 코디를 따뜻하게 챙겨주고, 코디는 델에게 점점 마음을 열기 시작한다. 그렇게 두 사람은 세상에 둘도 없는 친구가 된다.
또래 아이보다 통통한 몸매지만 유난히 미인대회에 집착하 올리브에게 캘리포니아 주에서 열리는 쟁쟁한 어린이 미인 대회인 미스 리틀 선샤인 대회 출전의 기회가 찾아온다. 그리고 딸아이의 소원을 위해 온 가족이 낡은 고물 버스를 타고 1박2일 동안의 무모한 여행 길에 오르게 된다. 좁은 버스 안에서 후버 가족의 비밀과 갈등은 점점 더 커져만 가는데... 할아버지와 올리브가 열심히 준비한 미스 리틀 선샤인 대회의 마지막 무대는 가족 모두를 그들이 절대 상상할 수 없었던 방식으로 변화시키게 된다. 과연 후버 가족에겐 무슨 일이 생긴 것일까?
