Dipper e Mabel Pines sono due gemelli di dodici anni che, per le vacanze estive, vengono mandati dai loro genitori dal loro prozio Stanford "Stan" Pines, gestore di un trappola per turisti nota come il "Regno del Mistero". Lì, i due gemelli stringono amicizia con Soos e Wendy, rispettivamente il tuttofare e la commessa del locale. Un giorno, Dipper trova nel bosco il Diario #3: un misterioso libro che tratta dei fenomeni e delle creature presenti nella cittadina. La serie quindi racconta di come i due gemelli si imbattono nelle creature e nei misteri raccontati nel Diario, sempre cercando di scoprire la verità su Gravity Falls. Sulla loro strada si frapporrà Gideon, un bambino all'apparenza innocuo e tenero possessore del Diario #2, che vuole impossessarsi degli altri Diari perché crede che contengano il segreto per ottenere un potere illimitato, arrivando anche ad evocare un potentissimo demone di nome Bill Cipher per riuscire nei suoi scopi: Dipper e Mabel riescono a sconfiggere anche Bill, che avvisa i due gemelli di un'oscurità incombente, e dopo aver per l'ennesima volta sventato i piani di Gideon, questo viene finalmente arrestato e portato in prigione. Dopo l'arresto di Gideon, il Regno del Mistero viene riaperto e Stan, che dopo essersi fatto "dare in prestito" il Diario #3 da Dipper è riuscito all'insaputa di tutti ad ottenere tutti e tre i Diari, e riesce finalmente ad attivare uno strano macchinario nascosto sotto il Regno del Mistero. Col proseguire degli episodi vengono rivelati ulteriori ed importanti particolari sul passato dei vari personaggi e i rapporti tra di loro si evolvono, processo che culminerà nella rivelazione dell'identità del misterioso autore dei tre Diari: il vero Stanford Pines, fratello gemello di Stan (che si scopre chiamarsi in realtà "Stanley") scomparso trent'anni prima attraverso un portale di sua invenzione, lo stesso riattivato da Stan. Con l'arrivo di Stanford (soprannominato "Ford") veniamo inoltre a conoscenza del fatto che è lui che ha costruito il portale. Nonostante le intenzioni di Ford fossero buone, venne raggirato proprio da Bill Cipher e, che riattivando il portale per salvare il fratello, Stan ha involontariamente dato l'opportunità a Bill di finire ciò che aveva cominciato e conquistare il mondo reale. Da qui in poi, tutti gli avvenimenti portano Dipper ad avvicinarsi sempre di più al prozio Ford e ad allontanarsi da Mabel, il che darà l'occasione a Bill di riuscire nei suoi intenti ed aprire un passaggio tra le dimensioni al fine di conquistare il mondo scatenando un evento nel quale la distorsione della realtà può diventare tale da disfarla: l'Oscurmageddon (in originale "Weirdmageddon"). Bill quindi riesce nei suoi piani e scatena l'Oscurmageddon sottomettendo la cittadina al suo potere. In questo scenario sta a Dipper e Mabel, con l'aiuto dei loro amici e prozii, fermare la follia e le stramberie scatenate da Bill e salvare Gravity Falls ed il mondo. Dopo che il piano originale della resistenza è andato in fumo, Stan, in un sacrificio finale, riesce con l'inganno a intrappolare Bill nella sua mente e Ford cancella completamente la memoria del fratello distruggendo così Bill. Stan riesce poi a recuperare la memoria grazie all'album di fotografie di Mabel. Tutto ritorna alla "normalità" a Gravity Falls, le persone iniziano anche a relazionarsi con le varie e bizzarre creature del luogo, ed il giorno del loro compleanno viene organizzata una festa a Dipper e Mabel alla quale partecipa l'intera cittadina e alcune delle creature che i due hanno incontrato nel loro meraviglioso viaggio. Stan e Ford si riappacificano finalmente e decidono di partire all'avventura come progettavano da piccoli, Soos eredita da Stan il Regno del Mistero e i due gemelli, alla fine della giornata, ritornano a casa loro in California ma non prima degli ultimi saluti durante i quali Wendy da una lettera a Dipper dicendogli "di aprirla quando sentirà la mancanza di Gravity Falls": nel loro viaggio di ritorno, Dipper apre la lettera e scopre che contiene un singolo messaggio, "Ci vediamo la prossima estate", e le firme di tutti i suoi amici lì conosciuti.