Siri ini mengisahkan tentang pengembaraan dua orang adik-beradik kembar berusia 12 tahun, Dipper dan Mabel Pines. Mereka dihantar oleh ibu bapa mereka untuk tinggal bersama Great Uncle Stan di Gravity Falls, Oregon sepanjang cuti musim panas. "Grunkle" Stan menetap dan bekerja di Mystery Shack, sebuah muzium dan perangkap pelancong, di mana para pelancong dikenakan bayaran berlebihan untuk melawat muzium paling aneh di dunia. Namun, kejadian-kejadian aneh benar-benar berlaku di bandar ini, dan Dipper dan Mabel bersama-sama merungkai rahsia di sebalik Gravity Falls.