El Dr. William Masters, el principal obstetra y ginecólogo de la Universidad de Washington, dirige una práctica médica exitosa durante el día y realiza un estudio secreto de la sexualidad humana durante la noche. La excantante de club nocturno Virginia Johnson se une al personal de secretaría del hospital y demuestra ser un activo para el trabajo de Masters.

Inmediatamente después de la propuesta de Masters de participar en el estudio de respuesta sexual, Johnson considera el mejor curso de acción para mantener su trabajo, solo para descubrir que ya no tiene uno. El estudio se ha visto obligado a abandonar el hospital y Masters cree que Johnson tiene la culpa. Mientras Johnson lucha por salvar su trabajo y se esfuerza por cuidar a sus hijos, Masters traslada su estudio a un burdel. Pero Masters pronto descubre que el caos del cathouse es inmanejable sin la ayuda de Johnson.

Masters y Johnson continúan su investigación en el burdel, pero los datos sesgados confirman que Masters debe devolver el estudio al hospital. En el hospital, Johnson se sorprende al saber que una distinguida nueva doctora en el piso de obstetricia y ginecología es una mujer que no tiene interés en la solidaridad femenina. Mientras tanto, Libby lucha por concebir y el Dr. Ethan Haas recibe el caso de su vida: una mujer embarazada de cuatrillizos.

Con el estudio de regreso en el hospital, Masters y Johnson reclutan nuevos participantes en el campus. Pero Johnson se sorprende cuando su exmarido George, que se está quedando dormido en su sofá, quiere inscribirse. La madre de Masters viene de visita, pero su nueva visión de la vida despierta dolorosos recuerdos de su infancia. Y el intento de Libby de hacer de casamentera con Virginia y Ethan no sale tan bien como ella esperaba.

Cuando Masters y Johnson amplían el estudio para incluir parejas, descubren que la ciencia del sexo se complica fácilmente por el misterio de la atracción. Johnson intenta conectarse con su hijo que prefiere a su padre. Anticipándose a la inminente llegada de su bebé, Masters experimenta ansiedad por convertirse en padre. Y el Dr. Ethan Haas se entera de que salir con la hija del rector podría afectar su carrera médica.

Después del aborto espontáneo, Libby y Masters viajan a Miami para descansar y relajarse, pero Masters se ve atraído por su trabajo por una pareja sexualmente aventurera que vive al lado. Sola en el hospital, Virginia recluta a Jane en un esfuerzo por desacreditar la teoría de Freud de que un tipo de orgasmo femenino es mejor que otro. Y Langham encuentra una cura poco probable para su disfunción sexual en Margaret Scully.

Masters y Johnson continúan su estudio de respuesta sexual, ahora como participantes, pero Johnson teme que su trabajo pueda estar interfiriendo con la vida hogareña de Masters. Libby presiona a la Dra. Haas para que reanude sus tratamientos de fertilidad en secreto. Mientras tanto, Haas lucha por dejar de lado sus sentimientos por Virginia a medida que su relación con Vivian se profundiza. Y Margaret Scully, atrapada en su infidelidad, confronta a su esposo sobre los crecientes problemas en su matrimonio.

Masters y Johnson deciden que la mejor manera de registrar los hallazgos de su estudio es filmarlos, pero para hacerlo tienen que conseguir ayuda externa. Johnson redobla sus esfuerzos para obtener un título universitario, solo para descubrir que la clase de anatomía básica del Dr. DePaul es un requisito. Mientras tanto, Haas y Langham, ambos inseguros en sus relaciones, se convencen mutuamente de los méritos de ser un hombre casado. Y luego de que Margaret lo atrapa en una posición comprometedora, Scully toma medidas drásticas para controlar sus impulsos sexuales.

El hospital participa en un simulacro de defensa civil a nivel nacional y la atmósfera intensificada aumenta los conflictos entre el personal. Una ex participante del estudio revela que está embarazada y quiere saber la identidad del padre. Masters y Johnson, cuya relación se tensó después de terminar su participación en el estudio, se enfrentan sobre si mantener la confidencialidad del estudio o asumir la responsabilidad. Haas se entera de que se le ha negado un futuro trabajo en el hospital, pero asume erróneamente que la culpa es de su ruptura con Vivian. Margaret Scully busca respuestas sobre la sexualidad de su esposo de una fuente poco probable.

Como Johnson ya no forma parte de su equipo, Masters acepta la oferta de Libby de ayudar a recopilar el trabajo del estudio para una presentación en todo el hospital. Pero cuando Masters ve que la presentación de otro médico pone a dormir a sus colegas, se decide a llamar su atención, incluso si eso significa impulsar una investigación provocadora, pero incompleta. La Dra. DePaul y Johnson viajan a una convención médica y DePaul explica por qué su trabajo en la prueba de Papanicolaou es tan importante. Y el ex esposo de Virginia, George, regresa para encontrar a Ethan Haas jugando al padre de sus hijos.

El trabajo de Masters sobre la sexualidad humana culmina con una presentación en todo el hospital de los hallazgos de su investigación y la de Johnson. Pero cuando Masters intenta ir más allá con las imágenes externas del orgasmo femenino, la respuesta de los médicos a la película no es la que esperaba. Mientras tanto, Haas considera una oferta de trabajo en el Hospital UCLA y considera qué significaría mudarse para su relación con Virginia. Scully busca un tratamiento de electroshock con la esperanza de curar su homosexualidad, pero Margaret tiene dudas sobre los riesgos involucrados.