Serien handler om de 12-årige tvillinger, Dipper og Mabel Pines som bliver sendt på sommerferie til den lille by, Gravity Falls i Oregon, ud til deres grandonkel, Stanford Pines (som de vælger at kalde Grunkel Stan). Han bor i og driver den lokale turistfælde, Mysterie-Hytten.

Der er noget mystisk omkring alt og alle i byen, og da Dipper finder en bog, gemt i et træ i skoven, som forklarer ham noget om alt det mystiske der sker i byen, starter eventyret. Lidt efter støder tvillingerne på de mange mærkelig væsner, og tager kampen op mod det overnaturlige.