Действие разворачивается летом в вымышленном городке Гравити Фолз (Gravity Falls; буквально — «гравитация падает». Здесь использована игра слов — часть Falls (с англ. водопад) относительно часто встречается в американских топонимах. По сюжету так город назвал восьмой с половиной президент США Квентин Трембли) в штате Орегон, куда близнецы Диппер и Мэйбл Пайнс отправляются на каникулы к своему двоюродному дедушке Стэну. Он владелец сувенирного магазина — приманки для туристов — «Хижина Чудес». Поначалу героям скучно, но вскоре они обнаруживают, что в городе происходит нечто сверхъестественное. Диппер случайно находит в лесу дневник под номером три, автор которого неизвестен. В нём подробно описываются аномалии Гравити Фолз. Подросток сразу решает узнать тайны странного городка и найти автора дневника, но на каждом шагу Диппера и Мэйбл подстерегает опасность. Окрестности Гравити Фолз полны таинственных мест, аномалий и странных существ.