Dos gemelos, Dipper y Mabel Pines, llegan a la remota ciudad de Gravity Falls para pasar sus vacaciones de verano, pero el nuevo novio sospechoso de Mabel revela extraños y misteriosos secretos de la ciudad para el dúo. Cuando el novio de Mabel resulta ser un grupo de gnomos, Dipper intenta salvarla.

Dipper, Mabel, y Soos asisten a una expedición en bote para probar que un monstruo marino existe, con la esperanza de ganar mil dólares. Mientras tanto Stan, después de haber sido abandonado por Dipper y Mabel, trata de encontrar compañeros de pesca.

Mabel esculpe una cera de la escultura de tamaño natural para añadir a la colección de figuras de cera del museo de Stan. Cuando la figura de cera se pone la cabeza, los gemelos están en el caso.

Dipper y Mabel se encuentran con un nuevo vecino intrigante: un chico adorable psíquico llamado Gideon. Cuando Gideon intenta conquistar a Mabel, Dipper trata de detenerlo.

Dipper intenta conquistar a Wendy al mentir sobre su edad. Al salir con Wendy y sus amigos, los niños terminan en una vieja tienda abandonada que está aparentemente embrujada.

Cuando Dipper quiere "ser un hombre", se adentra en el bosque en una búsqueda épica y conoce a una especie extraña que lo pone a prueba. Mientras tanto, Mabel intenta que Stan impresione a Susan.

Stan hace una fiesta en la Cabaña del Misterio y, al mismo tiempo, Dipper produce clones de sí mismo, para que lo ayuden a impresionar a Wendy.

Los niños descubren que el fundador de la ciudad es un engaño, y se disponen a exponer la verdad. Pero cuando lo hacen, el Sheriff Blubs y el Oficial Durland amenazan con enviarlos a una instalación gubernamental en Washington.

El deseo de Dipper se hace realidad cuando se roba una máquina del tiempo del viajero en el tiempo para deshacer un error. Mabel lo acompaña para seguir ganando su cerdo, Pato, hasta que Dipper finalmente deshace su error, Mabel pierde su cerdo ante su archienemiga, Pacifica Noroeste.

Dipper se sorprende al ver que su personaje favorito de videojuegos cobra vida y le pide que lo defienda en una pelea con Robbie. Pero cuando las cosas van demasiado lejos, Dipper luego se da cuenta que tiene que salvar a Robbie. Mientras tanto, Mabel intenta acabar con el miedo de Stan a las alturas.

Al sentirse inseguro de que Mabel se está convirtiendo en el gemelo alfa, Dipper busca una manera mágica para ser más alto. Pero cuando Gideon encuentra el cristal, lo utiliza para reducir el tamaño de los niños. Entonces Gideon intenta usarlo en Stan para apoderarse de la Cabaña del misterio.

La versión de Halloween de Gravity Falls festeja durante el verano con dulce o truco. Dipper y Mabel están muy contentos de unirse a la diversión, pero cuando Wendy menciona casualmente que dulce o truco es para los niños, la perspectiva de Dipper cambia en la noche. La noche se complica aún más cuando un monstruo que Dipper insultó accidentalmente hace que le den 500 dulces para el final de la noche, o se los comerá.

Cuando los niños, Stan y Soos caen en un pozo sin fondo, cuentan historias para pasar el tiempo, Dipper habla de como su voz cambió, Soos de como quedó atrapado en un juego de pinball con Dipper y Mabel, Stan de como cambio las formas de los futbolistas, y Mabel hablando de como hizo que Stan diga la verdad.

Mabel se hace amiga de un tritón guapo atrapado en la parte profunda de la piscina pública, y está decidida a regresarlo con su familia en el océano, a pesar de que eso significa que su torbellino de romance llegará a su fin. Mientras tanto, Dipper se entera que Wendy es un salvavidas en la piscina, así que decide que la mejor manera de pasar tiempo con ella es ser voluntario.

Soos descubre una habitación secreta en el interior la Cabaña del Misterio, y Dipper está feliz de reclamarlo como su propio espacio independiente, pero hay un problema: Mabel quiere la habitación también. Ambos compiten por la aprobación de Stan para ganar el cuarto, pero el concurso se vuelve aún más difícil cuando los hermanos cambian de cuerpo debido al misterioso poder de la alfombra de esa habitación.

Cuando Mabel descubre que su banda de chicos favorita es en realidad un montón de clones encarcelados, ella los libera, sólo para decidir quedárselos para sí misma. Mientras tanto, Dipper piensa que Robbie planea lavarle el cerebro a Wendy mediante un mensaje secreto oculto en la letra de una de sus canciones. Cuando él y Stan descubre que es verdad, tratan de detenerlo.

Pato es capturado por una criatura prehistórica tras ser descuidado por el Tío Stan. Mabel, al enterarse de su irresponsabilidad, se niega a hablarle. Al mismo tiempo, Dipper cree que Soos solo entorpecerá la misión para recuperar a Pato.

Los niños y Soos viajan a través de la mente de Stan para derrotar a un demonio sueño complicado llamado Bill Cipher, convocado por Gideon. Dipper también usa esto como una oportunidad para tratar de encontrar la razón por la que Stan es tan duro con él.

Después de que Gideon arrebata la Cabaña del Misterio a Stan, todo en Gravity Falls parece ser más raro aún. Dipper, Mabel y Stan son obligados a mudarse en la casa de Soos y su abuela, y toda la ciudad parece estar perdidamente atraída por los encantos de Gideon. La inseguridad de Stan de poder seguir cuidando a los niños le hará tomar la difícil decisión de enviarlos de vuelta. Dipper y Mabel buscarán recuperar la casa antes de que el verano acabe.