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.

Masters y Johnson continúan su investigación en el prostíbulo, pero los datos asimétricos confirman que Masters debe trasladar el estudio de nuevo al hospital. En el hospital, Johnson se sorprende al enterarse de que un distinguido nuevo médico en el piso de gineco-obstetricia es una mujer que no tiene interés en la solidaridad femenina. Mientras tanto, Libby lucha por quedar encinta y el Dr. Ethan Haas consigue el caso de toda una vida - una mujer embarazada de cuatrillizos.

Con el estudio de nuevo en el hospital, Masters y Johnson reclutan nuevos participantes en el campus. Pero Johnson se sorprende cuando su ex marido George, quien está durmiendo 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. Por otro lado, el intento de Libby de jugar a ser casamentera con Virginia y Ethan no va tan bien como ella esperaba.

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.

A raíz del aborto, Libby y Masters viajan a Miami para un merecido descanso y relajación, pero Masters es arrastrado de nuevo hacia su trabajo por una pareja vecina sexualmente aventurera. Sola en el hospital, Virginia enlista 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 la respuesta sexual - ahora como participantes - pero Johnson teme que su trabajo pueda estar interfiriendo con la vida hogareña de Masters. Libby presiona al Dr. Haas para reanudar sus tratamientos de fertilidad en secreto. Mientras tanto, Haas se esfuerza por dejar de lado sus sentimientos hacia Virginia ya que su relación con Vivian se profundiza. Y Margaret Scully, atrapada en su infidelidad, se enfrenta a su marido en los crecientes problemas en su matrimonio.

Masters y Johnson deciden usar una filmadora para registrar mejor los resultados del estudio. Johnson intensifica sus esfuerzos para obtener su título universitario. Entretanto, Scully toma una medida drástica para controlar sus impulsos sexuales.

Cuando Masters y Johnson deciden filmar reacciones externas en el estudio, deben convencer a Lester y Jane que su material de archivo no cruzara la línea de la pornografía. Los planes de Haas y Vivian para una boda por la iglesia presbiteriana se desvian cuando Haas revela que él es judío. Libby mantiene su embarazo en secreto de Masters y en su lugar le anima a reparar su relación con su madre. Pero durante las visitas nocturnas al hospital, Estabrooks observa la relación íntima de Masters y Johnson.

Una participante del estudio revela que está embarazada y busca la identidad del responsable. Margaret Scully busca ayuda para entender la sexualidad de su esposo. Entretanto, Masters y Johnson tratan de trabajar juntos luego del incómodo incidente.

La Dra. DePaul y Johnson viajan a una convención medica. El ex-esposo de Viriginia regresa y consigue a Ethan tomando su lugar. Por otro lado, Libby le ofrece ayuda a Masters para compilar los registros del estudio debido a la ausencia de Virginia.

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.