A série narra as aventuras dos dois irmãos gêmeos de 12 anos "Dipper e Mabel Pines", cujo os planos para as férias de verão são arruinados quando os seus pais resolvem envia-los para visitar seu Ti-vô (Tio/Avô) (Grunkle - contração/gíria do inglês "grand uncle")Stan em Gravity Falls, Oregon. "Ti-vô" Stan vive e gerencia a "Cabana do Mistério", uma armadilha para turistas que cobra de visitantes azarados por um vislumbre de um museu que é (segundo o próprio Stan) o mais bizarro do mundo, mas Dipper e Mabel pouco sabem que há realmente algo muito estranho acontecendo, e eles devem confiar um no outro para encontrar o seu caminho nesta cidade estranha.