A história de Gravity Falls começa com a origem de criaturas cósmicas, como o Axolote, um ser divino que concede conhecimento infinito, e os Gigantes do Tempo, uma raça quase extinta. Entre essas entidades, destaca-se Bill Cipher, um triângulo maligno que surgiu em uma sociedade bidimensional opressora. Revoltado, Bill buscou poder e libertou sua dimensão das leis físicas, destruindo-a. Ele então criou o Reino do Pesadelo, planejando invadir outras dimensões, incluindo a Terra, onde tentou manipular pessoas ao longo da história para construir um portal.
Gravity Falls é um local misterioso, atraído por uma bolha magnética que atrai anomalias. Há 30 milhões de anos, uma nave alienígena colidiu no local, liberando criaturas que formaram uma sociedade secreta. A cidade foi fundada por Quentin Trembley, um presidente excêntrico dos EUA, e depois dominada pela família Northwest, que explorou os trabalhadores. Uma maldição foi lançada pelos lenhadores traídos, prometendo vingança após 150 anos.
A narrativa principal segue os irmãos Stanley e Stanford Pines. Stanley, expulso de casa após um desentendimento, tornou-se um trapaceiro, enquanto Stanford estudou anomalias em Gravity Falls. Stanford, enganado por Bill Cipher, construiu um portal interdimensional, mas, ao descobrir os planos malignos de Bill, tentou impedi-lo. Em um acidente, Stanley empurrou Stanford para o portal, iniciando uma jornada de décadas para resgatá-lo.
Stanley assumiu a identidade de Stanford e transformou a cabana em uma atração turística, escondendo sua verdadeira missão. Anos depois, os sobrinhos gêmeos Dipper e Mabel chegam para o verão. Dipper encontra um diário com segredos sobrenaturais, desvendando mistérios da cidade. Eles enfrentam criaturas como gnomos, fantasmas e Gideon, um vilão obcecado por Mabel, que invoca Bill Cipher.
No clímax, Stanley ativa o portal e resgata Stanford, que retorna após anos no multiverso. Os irmãos se reconciliam, mas Bill escapa, iniciando o “Estranhagedon”, um apocalipse de caos. Dipper e Mabel unem forças com amigos e familiares para derrotar Bill, usando um símbolo zodiacal. Stanley se sacrifica, perdendo memórias, mas as recupera com ajuda dos sobrinhos.
Após a vitória, Gravity Falls volta ao normal. Stanford e Stanley partem para aventuras no mar, realizando seu sonho de infância, enquanto Dipper e Mabel se despedem dos amigos. A cabana é deixada para Soos, e os gêmeos retornam para casa, marcando o fim de um verão repleto de mistérios e crescimento.
A história deixa em aberto a possibilidade de Bill retornar, já que fragmentos de suas memórias podem ainda estar na mente de Stanley.