Le Dr William Masters de l'Université de Washington n'est pas un simple scientifique comme les autres. Il s'est lancé le projet audacieux et incongru de lancer une étude approfondie sur les comportements sexuels. Son collègue, mentor et ami Barton Scully se méfie de la mauvaise réputation que cette enquête pourrait conférer à l'hôpital. Néanmoins il est enclin à laisser Masters poursuivre sa recherche. Libby, l'épouse de William, est stérile. Elle ne comprend pas que malgré la passion de son mari pour son sujet d'étude, il ne s'intéresse plus à elle physiquement. Dans le même temps, le Dr Masters engage une nouvelle assistante pour l'aider dans ses recherches, l'intelligente, belle et intrigante Virginia Johnson...