O Dr. William Masters, o mais famoso obstetra e ginecologista da Universidade de Washington, gerencia um consultório de sucesso durante o dia e conduz um estudo secrego ligado à sexualidade humana à noite. A ex-cantora da noite Virginia Johnson se junta ao secretariado do hospital e acaba se tornando um trunfo para o trabalho de Masters.

Ao ser convidada para participar do estudo ao lado de Masters, Johnson considera a melhor forma de manter seu emprego, e logo descobre que não mais o possui. Enquanto Johnson luta para manter seu sustento e de sua família, Masters leva seu estudo para um bordel, mas logo descobr que o caos impera sem a ajuda de Johnson.

Masters e Johnson seguem com o estudo no bordel, mas circunstâncias convencem o médico a levar tudo de volta ao hospital. Lá, Johnson se surpreende em saber que a nova obstetra é uma mulher nada solidária. Enquanto isso, Libby luta para conceber e Ethan consegue o caso de sua vida.

Masters e Johnson recrutam novos participantes no campus para o estudo. No entanto, Virginia fica mesmo chocada quando seu ex-marido resolve se voluntariar. Já Masters recebe a visita da mãe e revive memórias dolorosas da infância. Para completar, a Libby tenta juntar Virginia e Ethan, mas as coisas não saem conforme o planejado.

O estudo se expande para a inclusão de casais, o que faz com que Masters e Johnson descubram que a ciência do sexo se complica com os mistérios da atração. Enquanto Johnson tenta se reaproximar do filho, Masters experimenta a ansiedade de se tornar pai. Para completar, Ethan pode ter problemas com sua carreira médica.

Após o aborto, Libby e Masters viajam para Miami para relaxar, porém o marido é levado de volta ao trabalho. Sozinha no hospital, Veronica chama Jane para tentar acabar com a teoria de Freud que um tipo de orgasmo feminino é melhor que outros.

Masters e Johnson acreditam que é preciso filmagem para conseguir o melhor resultado no estudo, mas para isso eles precisarão de ajuda de fora. Johnson retoma os estudos e vê obstáculos no caminho, enquanto Haas e Langham falam sobre os méritos do casamento.

Quando Masters e Johnson decidem filmar reações externas para o estudo, eles precisam convencer Lester e Jane que a gravação não cruzará a fronteira rumo à pornografia. Enquanto isso, os planos de Vivian sobre se casar na igreja presbiteriana vão por água abaixo quando Haas revela ser judeu. Libby mantém sua gravidez em segredo. Para completar, Estabrooks vê a relação íntima de Virginia e Will.

Conflitos entre os integrantes do hospital aumentam. Enquanto isso, uma participante do estudo revelar estar grávida e quer saber a identidade do pai, ao mesmo tempo em que Masters e Johnson decidem o futuro da relação. Já Haas descobre que não conseguiu um trabalho no hospital e presume, erroneamente, que a resposta está relacionada ao término com Vivian.

Com Johnson fora do time, Masters aceita a oferta de Libby par compilar o estudo para uma apresentação no hospital. Enquanto isso, o Dr. DePaul e Johnson viajam para uma convenção médica. Para completar, o ex de Virginia volta e descobre Ethan bancando o pai de seu filho.

Quando Masters tenta provocar na apresentação para o hospital e mostra uma filmagem do orgasmo feminino, a resposta não é a esperada. Enquanto isso, Haas analisa uma oferta de emprego na UCLA e considera o que essa mudança fará com sua relação com Virginia. Para completar, Scully tenta o tratamento de eletrochoque para curar a homossexualidade.