アリゾナ州に住むオリーヴ・フーヴァー（アビゲイル・ブレスリン）の夢は、小太りの眼鏡っ子にもかかわらずビューティー・クィーンになることだ。兄ドウェーン（ポール・ダノ）は、自室にこもって、筋肉トレーニングに余念がない。一家と同居するグランパ（アラン・アーキン）はバスルームに閉じこもり、ヘロイン吸引で夢見心地となっている。フーヴァー家の主婦シェリル（トニ・コレット）は、夫リチャード（グレッグ・キニア）の反対にもかかわらず、自殺未遂で病院に入院していた兄フランク（スティーヴ・カレル）を自宅に連れ帰る。大学で研究するフランクは、ライバルに恋人を奪われたことにショックを受け、手首を切った挙句、仕事を失っていた。ゲイであるフランクをグランパが「ホモ野郎」と呼び、“負けを拒否する！”をモットーとするモチベーション・スピーカー（成功論提唱者）のリチャードは、フランクを「負け犬」と決めつける。そんな中、「リトル・ミス・サンシャイン」コンテスト地方予選の優勝者が失格となり、繰り上げ優勝となったオリーヴがカリフォルニアで行われる決勝出場資格を得たという知らせが入る。狂気乱舞するオリーヴだが、フーヴァー家にシェリルとグランパの分の飛行機代を捻出する経済的余裕はない。自殺傾向のあるフランクを高校生のドウェーンとともに残しておくこともできず、一家全員がおんぼろのフォルクス・ワーゲン・ミニバスに乗り込んで一路、カリフォルニアを目指す。ただでさえギクシャクする家族なので、狭苦しいミニバスのなかで早速、口論がスタートする。しかも車が故障する始末だ。前途多難なフーヴァー一家は果たしてカリフォルニアまで無傷でたどりつけるのか？ そしてオリーヴはビューティー・クィーンの栄冠をゲットすることができるのか？