La serie sigue a Dipper, un joven racional y analítico, y su hermana Mabel, una joven optimista y emocional, mientras intentan descubrir los secretos detrás de los fenómenos sobrenaturales que ocurren en Gravity Falls. A lo largo de la serie, se revelan misterios y se enfrentan a criaturas sobrenaturales, todo mientras intentan disfrutar de su verano.