Dipper és Mabel Pines nyári vakációját követi nyomon, akiket a szüleik erre az időre az Oregon állambeli Gravity Falls nevű helyre küldtek el, ahol a nagybátyjuk Stan is dolgozik. Ő az itt látható turistaattrakciót futtatja a városban, a Rejtély kalyibát, mely a környék természetfeletti legendáiból csinál pénzt. Dipper azonban felfedezi, hogy a városban valami természetfeletti valóban történik...
Amikor Dipper a bácsikája kérésére felállít néhány hirdetést az erdő mélyén, talál egy titokzatos naplót egy odvas fában. A napló a városban fellelhető furcsa és természetfeletti dolgokat foglalja magába: zombik, gnómok, szellemek, szörnyek, és egyéb furcsaságok létezéséről tesz tanúbizonyságot. A naplót egy ismeretlen szerző írta, aki már hosszú évek óta nyomtalanul eltűnt. A napló három kötetből áll, mely közül Dipper a harmadikat találja meg. Legtöbbször e könyv segítségével éli túl azokat a hajmeresztő és roppant veszélyes kalandokat, amiket a testvérével átélnek. A kalandok során azonban arra is rájönnek, hogy mennyire számíthatnak egymásra...
Kalandjaik során azonban a barátaik és családjuk is gyakran a segítségükre vannak. Nagybátyjuk Stan, bár néha mogorva és undok, nagyon szereti a gyerekeket, és kész értük bármit megtenni. Az ikrek szívéhez ugyancsak közel áll Soos, a Rejtély kalyiba mindig vidám ezermestere, és Wendy, a csinos pénztároslány (akibe Dipper bele van zúgva, de az érzéseit nem meri előtte felvállalni). Az ikrek rájuk mindig számíthatnak, és ez fordítva is igaz.
A sorozat haladtával Dipper próbálja megoldani a város nagy rejtélyeit, miközben a Wendy iránti érzéseivel küzd, Mabel pedig spontán nyári románcot szeretne átélni, ám ez valahogy sosem jön össze neki. Közben gyakran csöppennek veszélyes kalandokba, ám leleményességüknek köszönhetően mindig kimásznak a slamasztikából, s közben sokat is tanulnak a velük történtekből.
Az évad végén Dipper és Mabel elmesélik Stan bácsinak a városban átélt kalandjaikat, melyeken a titokzatos napló segítette át őket. Kiderül, hogy a napló első kötete Stan birtokában van, később pedig megszerzi a másik kettőt is. Arra is fény derül, hogy a Rejtély kalyiba alatt Stan egy titkos laboratóriumot rejteget, ahol egy különös gépezet kiépítésén fáradozik. A három napló segítségével pedig sikerül működésbe hoznia a gépet.
A második évadban Stan tovább dolgozik a Rejtély kalyiba alatt rejtegetett gép kiépítésén, amiről kiderül, hogy egy átjáró egy másik dimenzióba. A városban azonban FBI ügynökök kezdenek nyomozni néhány paranormális esemény miatt, és a nyomok a Rejtély kalyibához vezetnek. Stan azonban titokban akarja tartani a portált, amin dolgozik, ezért arra kéri Dippert és Mabelt (akik mit sem tudnak Stan titkáról), hogy legyenek óvatosak, és ne engedjenek közel magukhoz idegeneket.
Szereplők:
Dipper Pines: Egy okos és leleményes fiú, Mabel ikertestvére. Fő célja a nyárra: megfejteni a Gravity Falls-ban lévő rejtélyeket. Ebben kezdetben a napló harmadik kötete, később pedig annak szerzője, Ford bácsikája lesz a segítségére.
Mabel Pines: Dipper nővére, aki öt perccel korábban született, mint az öccse. A mindig energikus, örökmozgó, és optimista Mabel folyton az élet napos oldalát látja, nem számít, hogy milyen különös vagy veszélyes kalandba csöppenjenek. Míg ő optimista, Dipper inkább a realitás híve. Mabel igazi művészlélek, nagyon szeret festeni, szobrászkodni, rajzolni, imád állatokat simogatni, valamint él-hal a színes pulóverekért.
Stanley Pines: Dipper és Mabel nagybácsikája, a Rejtély kalyiba nevű turistalátványosság vezetője. Lusta, önző és manipulatív, a legtöbbször kevés munkával igyekszik sok pénzt keresni. A csalás és megtévesztés nagy mestere, amivel a cégét is vezeti, többnyire sikeresen. Illegális és törvényellenes üzelmekbe is gyakran keveredik.
Soos: A Rejtély kalyibában dolgozó ügyes ezermester, Dipper és Mabel jó barátja. Mindig kész segíteni az ikreknek, ha a szükség úgy hozza. Segíti őket a város rejtélyeinek felderítésében, és bár nem mindig érti a dolgok lényegét, bátor és tettre kész minden téren.
Wendy Corduroy: A Rejtély kalyibában dolgozó pénztároslány, akibe Dipper reménytelenül bele van zúgva. Nagyon laza, és mindig menő, kicsit fiús lány, aki, ha teheti igyekszik kibújni a munka alól, és szórakozik. Szeret Dipperrel és Mabellel bolondozni a köztük lévő korkülönbségek ellenére. Van egy három fiúból és egy lányból álló haverbandája, akikkel mindig együtt lóg.
Stanford Pines: Stan rég elveszett ikertestvére. Kiléte a sorozat folyamán sokáig ismeretlen. 1982-ben eltűnt, de később visszatér Gravity Falls-ba azon a portálon keresztül, melynek újjáépítésén Stan 30 évig dolgozott.
