El papel de Frank, el estudioso suicida de Proust, fue escrito originalmente pensando en Bill Murray, y también hubo presión de los estudios para que lo interpretara Robin Williams.

Cuando Steve Carell fue elegido para el papel de Frank, era relativamente desconocido en Hollywood pese a su trabajo en The Daily Show, y los productores temían que no fuera lo bastante famoso ni tuviera suficiente experiencia actoral.

Los directores de casting viajaron a 'todos los países de habla inglesa' buscando a la actriz para interpretar a Olive, y finalmente eligieron a Abigail Breslin tras una audición cuando tenía seis años.

Paul Dano fue elegido para interpretar a Dwayne dos años antes de que comenzara el rodaje, y como preparación pasó varios días guardando voto de silencio, igual que su personaje.

El guionista Michael Arndt escribió el primer borrador del guion entre el 23 y el 26 de mayo de 2000, y originalmente planeaba filmarlo él mismo con una videocámara y unos pocos miles de dólares.

El guion se situaba inicialmente en un viaje por la Costa Este, de Maryland a Florida, pero se cambió a un trayecto de Nuevo México a California por razones de presupuesto.

Focus Features intentó centrar la historia en el personaje de Richard Hoover y despidió a Arndt cuando este se opuso, contratando a otro guionista; Arndt fue recontratado semanas después y, tras dos años de preproducción, Focus Features abandonó el proyecto en 2004 hasta que el productor Marc Turtletaub recompró los derechos y financió el presupuesto de 8 millones de dólares.

El personaje de Stan Grossman, interpretado por Bryan Cranston, fue incluido por Arndt como homenaje a la película Fargo.

El rodaje comenzó el 6 de junio de 2005 y duró 30 días en Arizona y el sur de California, filmando las escenas en el mismo orden cronológico que el guion.

El final de la película fue reescrito y rodado en diciembre de 2005, apenas semanas antes de su estreno en el Festival de Sundance.

La película está dedicada a Rebecca Annitto, sobrina del productor Peter Saraf y extra en las escenas del restaurante y la tienda, quien murió en un accidente de auto el 14 de septiembre de 2005.

Se utilizaron cinco furgonetas Volkswagen T2 para las escenas de viaje; tres tenían motor y dos iban montadas sobre remolques para distintas necesidades de filmación.

Muchos de los problemas mecánicos de la furgoneta mostrados en la película (embrague roto, bocina atascada, puerta que se cae) estaban basados en experiencias reales que Arndt vivió de niño con el mismo tipo de vehículo.

El actor Greg Kinnear describió el rodaje de las escenas de conducción como peligroso, ya que manejaba a unos 80 km/h en una Volkswagen de 1971 sin airbags laterales mientras un camión con cámara se colocaba frente al vehículo.

Durante las escenas en las que el personaje de Alan Arkin decía muchas groserías, Abigail Breslin llevaba auriculares y no podía escuchar los diálogos, tal como le ocurre a su personaje en la trama; solo conoció esas líneas al ver la película terminada.

Casi todas las niñas que interpretaron a las concursantes del certamen de belleza, salvo Abigail Breslin, eran veteranas de concursos reales y repitieron en pantalla las mismas rutinas que hacían en la vida real.

Para dar a Olive un aspecto más regordete, Abigail Breslin tuvo que usar un traje acolchado durante el rodaje, y pasó dos semanas preparando la coreografía final con un coreógrafo.

La banda de Denver DeVotchKa compuso la música junto al compositor Mychael Danna, reutilizando canciones preexistentes de la banda como 'How It Ends', que se convirtió en 'The Winner Is'.

El guion original de Arndt pedía la canción 'Peach' de Prince para la escena del certamen, pero durante el rodaje se usó temporalmente 'Gimme All Your Lovin' de ZZ Top antes de que en posproducción se eligiera 'Super Freak' de Rick James, remezclada por el productor ROCAsound.

Tras su estreno en Sundance en enero de 2006, Fox Searchlight Pictures adquirió los derechos mundiales de distribución por 10,5 millones de dólares más el 10% de los ingresos brutos, en menos de un día tras la proyección, una de las mayores operaciones en la historia del festival.

Surgió una controversia en los premios Óscar porque la Academia solo permite reconocer hasta tres productores por película, dejando fuera a dos de los cinco productores de Little Miss Sunshine, aunque el Producers Guild of America sí había honrado a los cinco; esto llevó a la Academia a permitir excepciones a partir de 2007.