Sam Lenoir, 42 ans, patron de Techno France, société spécialisée dans la fabrication de robots industriels, apprend à l’ouverture du testament de son père, à laquelle assiste également son petit frère âgé de 38 ans, Georges Lenoir, avec lequel il est fâché, et ils devront se réconcilier afin que chacun d’eux puisse percevoir sa part d’héritage, soit la somme de 250 000 euros, validée par le notaire et ami de la famille, Lucien Deffaut.Pour toucher sa part d’héritage, Sam a l’idée d’embaucher comme employé de maison son frère Georges, qui vit d’arnaques diverses et habite dans un petit studio dans la cité d’une petite ville de la banlieue ouest de Lyon, pour s’occuper de Léa, 15 ans, et Renaud, 8 ans.Georges accepte la proposition de son frère, y voyant un moyen de changer de vie, surtout après l’échec de sa dernière arnaque.L’histoire de Petit frère retrace la réconciliation entre deux frères, mais aussi celle de Sam avec son épouse, qui lui reproche de trop travailler et de ne pas s’occuper d’elle.