Dipper et Mabel Pines, frère et sœur jumeaux, voient leurs vacances d’été bouleversées lorsque leurs parents les envoient chez leur grand-oncle Stan, à Gravity Falls, dans l’Oregon. Ce dernier tient un musée étrange, véritable attrape-touristes rempli de curiosités. Mais très vite, les jumeaux découvrent que cette petite ville cache des secrets bien plus mystérieux… et inquiétants.