Близнюків Діппера і Мейбл Пайнс батьки відправили на літні канікули в містечко Ґравіті Фолз в Орегоні до двоюрідного дядька Стенфорда (Стена). Стенфорд, який перетворив своє житло на музей дивовиж і магазин сувенірів під назвою «Хижка Чудес», звалює на близнюків купу роботи. Згодом Діппер помічає дивні події в містечку, а одного разу, виконуючи чергове завдання Стена, випадково знаходить сховок зі щоденником, в якому описані таємниці Ґравіті Фолз. Оскільки щоденник був незавершений і мав номер 3, Діппер береться розшукувати інші два і їхнього автора, потрапляючи з сестрою та іншими персонажами в різноманітні пригоди.
Основні персонажі:
Ді́ппер Па́йнс — 12-річний головний герой серіалу. Діппер — його прізвисько, дане за родимики, розташовані у вигляді сузір'я Ковша. Він має сестру-близнючку на ім'я Мейбл. Займається розслідуванням дивних випадків Ґравіті Фолз. Як типово для свого віку, часто то вагається як слід вчинити, то діє безрозсудно. Проте він завжди прагне довести свої розслідування до кінця і вірний друзям. Закоханий в Венді Кордрой, працівницю «Хижки Чудес», яка старша за нього на 3 роки, тому ставиться до Діппера як до доброго друга. Діппер знайшов щоденник № 3 і шукає його автора. В першому епізоді взяв з «Хижки Чудес» кепку з зображенням ялинки, яку з того часу майже ніколи не знімає. Йому в серіалі відповідає символ сосни .
Ме́йбл Па́йнс — сестра Діппера, умовно старша за брата, оскільки народилася на 5 хвилин раніше. Велика оптимістка, яка легко знайомиться з людьми і рішучіша за Діппера. Любить байдикувати, захоплюється ляльками, стікерами, поні, і т. д. У Мейбл є домашнє порося Пухлик, якого вона виграла на ярмарці. Вважає себе фахівцем у всіх справах і часто допомагає братові, в тому числі в розслідуванні таємниць. Її найкращі подруги в Ґравіті Фолз — Кенді та Ґренда, яких вона з часом стала брати на дослідження таємниць. Її символ — падаюча зірка.
- Сте́нлі «Дядько Стен» Па́йнс — двоюрідний дідусь Діппера і Мейбл, також званий дядьком Стеном. Власник сувенірного магазину «Хижка чудес». Прагне заробити і зекономити на чому завгодно. Всі «загадкові» експонати в його «Хижці Чудес» — підробка. Виглядаючи простим обиватилем, має таємний бункер під хатиною і знає про таємниці Ґравіті Фолз, але тримає це в таємниці. Взяв собі ім'я брата після його зникнення. З часом збирає всі три щоденники. Його символ — фігура у вигляді рибки.
- Ве́нді Ко́рдюрой — рудоволоса 15-річна дівчина, яка працює в «Хижці Чудес». Любить жартувати над людьми та й просто веселитися. Сильна, спритна і смілива. Знає, що Діппер закоханий в неї, але ставиться до нього як до молодшого брата. Спочатку зустрічалася з Роббі, але покинула його, дізнавшись, що той намагався видати чужу пісню за свою. Її символ — лід .
- Хе́сус «Сус» Альзаміра́но Рамі́рез — 18-річний огрядний робітник з Хижки Чудес. Часто займається ремонтними роботами або обслуговуванням устаткування Хижки. Часто незграбний і неохайний, зате добрий. Живе з бабусею, оскільки батько покинув його, коли він був дитиною. У фіналі став новим власником «Хижки Чудес», отримавши її від Стена. Його символ — знак запитання.
- Ґідео́н Ча́рльз Глі́ффул — дев'ятирічний хлопчик, місцева знаменитість, батьки якого виконують всі його забаганки. Вважається телепатом і вбачає в Стенові конкурента. У Ґідеона був такий же Щоденник, що і у Діппера, але під номером 2. Наприкінці 1 сезону Ґідеон був заарештований, коли з'ясувалося, що вся його телепатія була результатом таємного підглядання за жителями Ґравіті Фолз. Його символ — п'ятикутна чаклунська зірка.
- Паси́фіка Е́ліс Но́ртвест — найпопулярніша дівчина Ґравіті Фолз із сім'ї багатіїв Нортвестів. Оскільки виросла в багатстві, зверхньо ставиться до пересічних жителів містечка. Відкривши історію свого роду, зокрема як її предок незаслужно став вважатися засновником Ґравіті Фолз і як несправедливо вчинив з будівельниками свого маєтку, пом'якшала. Ближче до фіналу приєдналася до боротьби проти Білла. Її символ — лама.
- Ро́ббі Сте́йсі Валенти́но — стереотипний неформал, похмурий худорлявий і прищавий 16-річний підліток. Його батьки — власники кладовища. Був закоханий у Венді, що стало причиною ворожнечі з Діппером. Деякий час зустрічався з Венді, але та покинула його, тому що він намагався видати чужу пісню за свою. У 9 епізоді 2 сезону Мейбл підлила йому любовне зілля, щоб той перестав страждати через нерозділене кохання, і той почав зустрічатися з подругою Тембрі. Його символ — зашрамоване серце.
- Фі́длфорд Га́дрон МакГа́ккет — місцевий дивак, старий, що мешкає на звалищі Ґравіті Фолз. Відомий як божевільний, проте володіє інженерними здібностями і знаннями в робототехніці. Як вдалося з'ясувати Діпперові, МакГаккет був помічником автора щоденників. Щоб звільнитися від усвідомлення того, що відбувається в Ґравіті Фолз, стер собі пам'ять пристроєм, який потім стало використовувати таємне товариство «Сліпого ока». У фіналі його геніальність було загально визнано і він навіть купив маєток, де продовжив винахідництво. Йогосимвол — окуляри.
- Сте́нфорд «Дядько Форд» Фі́лбрік Па́йнс — справжній автор щоденників, існування якого довгий час було спірною темою обговорень у фанатів. Брат-близнюк Стенлі/Стенфорда. Для розрізнення Діппер став називати справжнього Стенфорда дядьком Фордом. Відрізняється видатним розумом і шістьма пальцями на руках. Саме аномалія з пальцями спонукала його досліджувати загадкові випадки, що врешті привело Стенфорда у Ґравіті Фолз — містечко, де їх відбувалося найбільше. Вважаючи, що всі вони виникають через вплив паралельних світів, Стенфорд зайшов у глухий кут в дослідженнях. Він розшукав спосіб прикликати Білла і сконструював під його керівництвом міжсвітовий портал. Згодом, коли МакГаккет побував за порталом, Форд зрозумів, що Білл використовував його для приходу істот зі свого світу, та вимкнув портал. В ході сварки з братом портал знову було ввімкнуто і Форд потрапив всередину. Проте після багатьох років вивчення щоденників Стенлі зумів повернути Стенфорда. Символ Форда — рука з шістьма пальцями. Що трапилося з Фордом від його зникнення і до повернення описано в книзі «Gravity Falls: Journal 3», виданій у липні 2016 року.
- Бі́лл Ши́фр — демон, прикликаний Ґідеоном наприкінці 1 сезону. Являється у вигляді жовтого літаючого трикутника з одним оком, руками і ногами. Може виконати будь-яке бажання в обмін на, здавалося б, незначну послугу, що врешті обертається великими проблемами для того, хто прикликав Білла. Будучи істотою з іншого світу, цей демон існує, проектуючись крізь людський розум. Свого часу він поділився з Фордом численними знаннями, зокрема про будівництво порталу, як потім виявилося, задля приходу зі свого світу разом з іншими істотами. Хоч портал було знищено, Білл сподівається втілитися за допомогою міжсвітового розриву з лабораторії Форда. У фіналі Білла було знищено, в Ґравіті Фолз залишилася тільки його статуя.
У фінальному епізоді серіалу наприкінці було показно справжню статую Білла Шифра, сховану десь у лісі. 16 лютого 2016 в Twitter на сторінці GravityFallsCipher з'явилося фото тієї ж статуї з викликом читачам відшукати її, почавши власну пригоду. Фанати «Таємниць Ґравіті Фолз» взялися за пошуки, передусім в Орегоні, але так нічого і не знайшли. За хештеґом #CipherHunt почалося полювання на підказки і загадкове місце.
Після відвідання Хіршем Росії в рамках «Фестивалю коміксів, косплею і ностальгії» 16-17 лютого 2016, біля Казанського кафедрального собору було відшукано підказку зі вказівкою на Японію. Різні фанати серіалу далі послідовно зібрали вказівки в різних регіонах США, включаючи уривки карт, пазли, ключі та шифри. Сам Алекс Хірш відгукнувся на це тільки 20 липня, написавши в Twitter правила полювання і оголоcивши його неофіційним заходом для фанатів. Зрештою 2 серпня в Рідспорті, що в штаті Орегон, було знайдено статую Білла Шифра і поруч скриньку з сувенірами.
Як нагороду шанувальникам «Таємниць Ґравіті Фолз» за старання, 3 серпня Алекс Хірш виклав у вільний доступ пілотний епізод свого серіалу, який ніколи не демонструвався загалу. Цей епізод загалом повторює перший епізод «Турист у пастці», але має більш комічний стиль, біднішу анімацію та відмінні від фінальних о́брази персонажів.
