Dr. William Masters ist der erfolgreichste Gynäkologe an der Washington University. Allerdings startet neben seinem Berufsalltag eine geheime Studie der menschlichen Sexualität. Die ehemalige Nachtclub-Sängerin Virginia Johnson hat gerade als Sekretärin im Krankenhaus angefangen und erweist sich als unschätzbare Hilfe für Masters Studie.

Obwohl Johnson nichts von Masters Vorschlag hält, ist sie kurz davor zu akzeptieren um ihren Job zu behalten. Allerdings wird sie doch gefeuert, da Masters sie für das Verbot der Studie für verantwortlich hält. Während Johnson gleichzeitig um ihren Job und ihre Familie kämpft, setzt Masters die Studien heimlich in einem Bordell fort.

Masters und Johnson versuchen neue Teilnehmer im Krankenhaus zu finden. Aber Johnson hatte nicht damit gerechnet, dass ausgerechnet ihr Ex-Mann daran interessiert ist. Zudem weckt der Besuch ihrer Mutter unangenehme Kindheitserinnerungen.

Masters und Johnson fangen an auch Paare als Teilnehmer der Studie aufzunehmen. Allerdings stellt sich heraus, dass die gegenseitige Anziehung die Untersuchungen erheblich erschwert. Angesichts der bevorstehenden Geburt wird Masters mit seinen Gefühlen bezüglich seiner Vaterrolle konfrontiert.

Masters und seine Frau versuchen nach der Fehlgeburt in Florida Ruhe zu finden. Aber das aktive Paar nebenan lässt Masters schnell zu seiner Arbeit zurückkehren. Und Johnson versucht Freuds Theorien zum weiblichen Orgasmus mit Hilfe von Jane zu widerlegen.

Masters und Johnson werden zu Probanden ihrer eigenen Studie, obwohl Johnson negative Auswirkungen auf Masters Ehe befürchtet. Währenddessen bittet Libby Dr. Haas erneut um Hilfe.

Masters und Johnson wollen ihre Untersuchungen filmisch dokumentieren, benötigen beim Bau der Kamera aber Hilfe. Johnson trifft bei ihren Bemühungen um einen Universitätabschluss auf unerwartete Hindernisse. Währenddessen glauben Dr. Haas und Dr. Langham jeweils die Vorteile einer Ehe erkannt zu haben.

Bevor sie ihre Studie mit Filmaufnahmen fortsetzen können, müssen Masters und Johnson erst die Testpersonen davon überzeugen, dass es sich nicht um Pornografie handelt. Libby hält ihre Schwangerschaft vor Masters geheim. Sie leidet aber darunter, dass er sich hauptsächlich um siene Arbeit kümmert.

Die Teilnahme der Klinik an einer landesweiten Verteidigungsübung führt zu Spannungen zwischen den Mitarbeitern. Eine Teilnehmerin der Studie ist schwanger geworden und will die Identität des Vaters herausfinden. Dies führt zu einem Konflikt zwischen Masters und Johnson. Dr. Haas erfährt dass die Klinik ihn für eine weitere Anstellung abgelehnt hat. Und Margaret Scully versucht etwas über die sexuellen Vorlieben ihres Mannes herauszufinden.

Da Johnson nicht länger mitarbeitet akzeptiert Masters die Hilfe seiner Frau bei der Zusammenstellung der Studienergebnisse. Angespornt durch die Präsentation eines Kollegen plant Masters die Studie mit einer provozierenden Präsentation der ganzen Klinik vorzustellen.

Masters hält seine geplante Präsentation, aber die Reaktion ist anders als von ihm erhofft. Währendessen muss Dr. Haas Entscheidungen für seine Zukunft treffen. Und Scully greift zu riskanten Maßnahmen.