A série segue as aventuras de Dipper Pines e sua irmã gêmea Mabel de 12 anos, que são enviadas para passar suas férias de verão com seu tio-avô Stanford Pines (mas chamado apenas de "Ti-vô" Stan/só chamado de Tio Stan em Portugal), em Gravity Falls, uma cidade misteriosa cheia de forças paranormais e criaturas sobrenaturais.

As crianças ajudam Stan a administrar "A Cabana do Mistério", a armadilha turística que ele possui, enquanto também investigam os verdadeiros mistérios do local. Nada é o que parece nessa cidadezinha, e com ajuda de um diário misterioso que Dipper acha na floresta, eles começam a desvendar os mistérios locais.

Com participações de Wendy Corduroy (Dublada no Brasil por Samira Fernandes e em Portugal por Adriana Moniz), adolescente de 15 anos que trabalha como caixa na Cabana do Mistério e por quem Dipper nutre uma paixão secreta; Soos Ramirez (César Marchetti no Brasil e José Nobre em Portugal), amigo dos gêmeos que trabalha para Ti-vô Stan/Tio Stan; além de uma variedade de outros personagens eventuais (que acabam não sendo tão secundários quanto parecem a princípio); Dipper e Mabel sempre têm um dia intrigante pela frente.