El Dr. William Masters, el gineco-obstetra más importante de la Universidad de Washington, dirige una exitosa práctica médica durante el día y lleva a cabo un estudio secreto sobre la sexualidad humana en la noche. La ex cantante de club nocturno Virginia Johnson se une al personal secretarial del hospital y demuestra ser de gran utilidad para el trabajo de Masters.

A raíz de la propuesta de Masters de participar en el estudio de la respuesta sexual, Johnson considera el mejor curso de acción para mantener su puesto de trabajo - sólo para descubrir que ya no tiene uno. El estudio ha sido forzado a salir del hospital y Masters cree que Johnson tiene la culpa. A medida que Johnson lucha por salvar su puesto de trabajo y por el cuidado de sus hijos, Masters mueve su estudio a un burdel. Pero Masters pronto descubre que el caos de la Casa del Placer es difícil de manejar sin la ayuda de Johnson.

Cuando Masters y Johnson amplían el estudio para incluir a parejas, descubren que la ciencia de las relaciones sexuales es fácilmente complicada por el misterio de la atracción. Johnson intenta conectar con su hijo, que prefiere a su padre. En previsión de la inminente llegada de su bebé, Masters experimenta ansiedad acerca de convertirse en padre. Y el Dr. Ethan Haas descubre que salir con la hija del rector podría afectar su carrera médica.

El trabajo de Masters y Johnson sobre la sexualidad humana culmina con una gran presentación, pero la reacción de sus colegas no es la que esperaban. Entretanto, Haas recibe una oferta de trabajo y considera su futuro con Virginia.

Tras ser despedido del hospital por la polémica presentación, Bill Masters busca un nuevo trabajo presionado por su mujer, Libby. Virginia, mientras tanto, continúa trabajando para la doctora DePaul al tiempo que lidia con ciertos rumores.

Han pasado cinco meses. Bill ha decidido interrumpir su trabajo sexual personal con Virginia, incapaz de ocultar su decepción tras haber descubierto que ella sigue teniendo relaciones con otros hombres, y pasa a centrarse a conciencia en mantener activa su nueva clínica como sea.

Masters se preocupa por la imagen que podría dar en el documental que han preparado para ellos, mientras Libby aprovecha la distracción de su marido para ahondar en su relación con Robert. El intento de Virginia de afianzar la custodia de sus hijos contra George se vuelve contra ella.

A la vanguardia de la revolución sexual, Masters y Johnson están a punto de publicar su estudio, retirando finalmente el velo que cubría la labor que los había consumido durante la última década. A medida que enfrentan a la prensa por primera vez, ellos recuerdan unas vacaciones de verano del año anterior, cuando Virginia afrontaba ciertas batallas de crianza, Bill terminaba su trabajo en el libro, y Libby luchaba por salir de una profunda depresión.