Los preadolescentes Dipper y Mabel son enviados a Gravity Falls, un pequeño pueblo entre los bosques de Oregon. Los recibe su anciano tío Stan, quien es el dueño de un negocio llamado la Cabaña del Misterio en donde exhibe artículos y animales extraños (practicamente todos falsos) a los incautos turistas que se aparecen por ahí. Los gemelos Pines, como también se les conoce, pronto cambiarán la vida tranquila del pueblo: Empezarán a tener amigos con los que compartirán varias aventuras, pero sobre todo descubrirán a las criaturas mitológicas que habitan aquel lugar. Mientras descubren y tratan de arreglar la triquiñuelas de su tío, irán resolviendo los misterios enterrados desde hace años. Muchos no estarán cómodos con las revelaciones e intentarán frenar a este equipo para que en Gravity Falls o en cualquiera de las otras dimensiones en las que podrían impactar sus acciones, las cosas sigan como siempre.