Двойняшек Мейбл и Диппера родители отправляют на каникулы к их дяде Стэну. Тот живет в городке Гравити Фолз и владеет «Хижиной Тайн» - музеем с откровенными подделками. Но оказывается, что городок полон тайн и загадок. В лесу Диппер находит книгу с рисунком шестипалой ладони. Это третья часть дневника, в котором кто-то описывал чудеса и тайны города и намекает на страшную тайну.
Вместе с работником музея Зусом и продавщицей Венди, дети исследуют тайны, описанные в дневнике. Диппер постепенно влюбляется в Венди и очень остро переживает собственный возраст, пытаясь стать более мужественным и успешным. А Мэйбл заводит себе новых друзей. Вскоре они сталкиваются с Малышом Гидеоном -заклятым врагом Стэна, который владеет второй частью дневника. Он считается телепатом, но на самом деле обманывает легковерных, хочет получить «Хижину Тайн» в свое распоряжение, но каждый раз терпит поражение.
Чтобы достичь своей цели он даже вызывает демона Билла Шифра, чтобы извлечь из памяти Стэна пароль от сейфа, где хранятся документы. Но благодаря двойняшкам Билл терпит поражение, а Гидеон просто взрывает сейф и получает «Хижину тайн». Оказывается, он ищет первую часть дневника, которая спрятана где-то на территории Хижины, но он в очередной раз терпит поражение, попадает за решетку, а Стэн забирает себе вторую часть дневника. Диппер рассказывает дяде про дневники. Стэн смеется и берет часть дневника. Оказывается, он владел первой частью дневника. И собрав все три книги, Стэн активирует в подвале Хижины портал.
Однако для его работы нужно время. Всплеск энергии засекают агенты секретной службы. Они приезжают в Гравити Фолз, и Диппер рассказывает им о происходящем. Агенты не хотят его слушать, и Диппер в доказательство вызывает зомби, которые нападают на агентов. Остановив нашествие зомби, Стэн признается, что он знал о тайнах городка. А Диппер обнаруживает скрытые послания на страницах дневника.
Он находит бункер автора дневника. Но обнаруживает лишь сломанный ноутбук. После починки оказывается, что он зашифрован. Диппер вынужден принять помощь Билла Шифра, но тот обманывает его, ломая ноутбук. Билла удается остановить в очередной раз, а на обломках ноутбука находят подпись местного сумасшедшего по имени МакГакет. К сожалению, тот давно потерял память. Дети натыкаются на тайное общество, уже давно стирающее память жителям городка, заставляя их забывать все таинственные происшествия. Они получают прибор для стирания памяти и восстанавливают память МакГакету. А он обещает помочь детям с ноутбуком. Вскоре он выясняет, что ноутбук отсчитывает время до какого-то ужасного события.
Этим событием становится открытие портала, который проводит дядя Стэн. Появившиеся правительственные агенты арестовывают его и открывают правду двойняшкам. Похоже, что Стэн погиб, а этот человек - самозванец. Дети, потеряв веру в него, хотят отключить портал, который может уничтожить землю, но убежавший от агентов Стэн просит Мэйбл поверить ему. Хотя Зус и Диппер не верят Стэну, Мэйбл соглашается не отключать портал. Из него выходит Стэнфорд - родной брат Стэна.
Оказывается, братья давно поссорились. Стэнфорд был умным парнем с аномалией - шестью пальцами на руке, а Стэнли - обычным раздолбаем. Боясь, что Форд поступит в университет и отдалится от Стэна, тот случайно рушит его планы. Отец выгоняет Стэна из дома и тот начинает зарабатывать мошенничеством. Форд же решает изучать различные аномалии и прибывает в Гравити Фолз, который является магнитом для подобных вещей. Он встречается с Биллом Шифром, который помогает ему и убеждает построить механизм, ведущий к источнику аномалий. На самом деле он хочет перейти в наш мир и захватить его. Испугавшись, Форд просит о помощи своего брата. Прибывший Стэн скучает по брату, но встреча перерастает в драку. Форд падает в активированный портал и исчезает. Стэн же берет себе имя брата, симулирует собственную смерть и решает зарабатывать на «Хижине Тайн» водя экскурсии, пытаясь активировать портал и помочь брату.
Но после активации, реальность порвалась, и Билл может в нее попасть. Форд пытается найти способ обезопасить нашу реальность, Диппер ему помогает, а Мэйбл грустит о том, что лето заканчивается. Поэтому она впадает в депрессию, и новость о том, что Диппер остается в Гравити Фолз становится последней каплей. Поэтому она отдает Биллу, случайно попавший в её руки кусок разрыва. Тот проникает в наш мир и заточает Мэйбл в специальной сфере-тюрьме.
Под воздействием Билла мир поглощает безумие. Форда превращают в статую. Диппер находит Венди, и они решают освободить Мэйбл. Билл поместил Мэйбл в место, где сбываются все её мечты и ей не нужно взрослеть. Поэтому она не хочет возвращаться в реальность. Дипперу приходится приложить все свое красноречие, чтобы переубедить её. Вместе они ищут способ уничтожить Билла.
Благодаря Форду, волна безумия не коснулась «Хижины Тайн» и там прячутся уцелевшие. Хотя Стэн и против, но двойняшки убеждают всех спасти Форда, и вместе победить Билла. Они превращают хижину в огромного робота. В это время Билл пытает Форда - он не может просто так покинуть Гравити Фолз. А Форд - знает, как это сделать. Но Билл не может проникнуть в его разум. Появившаяся хижина отвлекает Билла и несколько человек спасают Форда. Тот говорит, что победить Билла можно встав в особый круг. Но Билл нарушает ритуал, заключает Форда и Стэна в клетку. Он предлагает Форду обменять жизнь племянников на доступ в разум. Форд соглашается. Но братья переоделись, Билл оказывается в сознании Стэна а Форд стирает ему память, вместе с Биллом.
После победы, все возвращается к нормальному виду. Горожане единогласно соглашаются не вспоминать о происходящем. Стэн восстанавливает память с помощью альбома для воспоминаний Мэйбл, а Форд приглашает его в путешествие для поиска аномалий. Зус становится управляющим Хижины Чудес, а Диппер и Мэйбл отправляются домой, после этих насыщенных каникул.