Het kleine meisje uit de titel heet Sasha en is zeven jaar wanneer ze de Franse documentairemaker Sébastien Lifshitz (1968) voor het eerst ontmoet. Lifshitz zal Sasha een jaar lang met de camera volgen, omdat hij benieuwd is hoe het leven eruitziet van een klein meisje dat geboren is in het lichaam van een jongen.
Petite fille is een prachtig, intiem portret geworden van de kleine Sasha en haar gezin, dat verder bestaat uit haar vader, twee broers (van wie er eentje ouder is), een oudere zus, en moeder Karine, die vecht als een leeuwin voor haar kleine meid. Met de balletschool, waar Sasha wel mag meedansen met de andere meisjes, maar alleen in jongenskleren en met een juf die haar steeds aanspreekt als ‘petit bonhomme’. En vooral met Sasha’s school, waar ze haar absoluut niet willen erkennen als meisje.