A pequena Olive recebe um convite para participar do concurso Little Miss Sunshine no sul da Califórnia. Mas a viagem até lá é muita cara para ser feita de avião. O jeito é ir de kombi. Assim, a disfuncional família Hoover pega a estrada, na tentativa de realizar o sonho da menina e ao encontro de uma inesperada jornada.
Daqui a 50 anos, o Sol estará morrendo. A última esperança da Terra é depositada nas oito pessoas que embarcam na nave Ícaro 2. Eles portam uma carga delicada e perigosa, capaz de engatilhar um minibig-bang dentro da estrela, o que voltaria a fazê-la brilhar.