Dipper ve Mabel Pines, yaz tatilini Oregon'daki Gravity Falls kasabasında geçiren ikiz kardeşlerdir. Aileleri onları Harika Amca Stan'in yanına gönderir. Stan, turistlere tuhaf eşyalar sattığı Gizemli Kulübe'yi işletmektedir. Dipper, ormanda kasabanın doğaüstü varlıklarını anlatan gizemli bir günlük bulur. Bu keşiften sonra ikizler, çevrelerinde yaşanan garip olayları araştırmaya başlar. Dipper günlüğün yazarını bulmaya çalışırken Mabel, neşesi ve cesaretiyle ona yardım eder. Wendy ve kasabadaki arkadaşları da zaman zaman bu maceralara katılır. Canavarlar, gizli geçitler ve açıklanamayan olaylar peşlerini bırakmaz. İkizler, Gravity Falls'un tehlikeleri karşısında birbirlerine güvenmek zorundadır.