저명한 산부인과 의사 윌리엄 마스터스와 그의 조수인 싱글맘 버지니아 존슨은 인간의 성생활에 관한 획기적인 연구를 시작한다.

빌은 연구를 위해 유곽으로 가고, 이곳에서 버지니아 없이는 아무것도 할 수 없다는 것을 알게 된 그는 다시 버지니아를 고용한다.

버지니아가 새로운 여성 의사의 채용에 화를 내자, 빌은 사창가에 대한 그들의 연구 결과가 위태로워질까 걱정한다.

어린 시절 트라우마를 회상하던 빌은 가장으로서 자신의 능력을 의심한다. 버지니아는 전 연인으로부터의 예상치 못한 방문에 놀란다.

빌은 어린 시절 기억으로 괴로워하고, 하스는 비위를 맞추기 위해 스컬리의 10대 딸과 연애를 시작한다.

빌과 리비가 유산에 대처하는 동안, 성적으로 충족되지 못한 마가렛 스컬리는 여성의 성적 반응에 대한 버지니아의 새로운 연구에 자원한다.

결혼 생활과 버지니아의 관계 사이의 균형을 지키려는 빌. 강도가 스컬리를 폭로하겠다고 협박하고 마가렛은 다른 남자를 만나기로 한다.

빌과 버지니아는 연구를 촬영해 기록하려 함에 따라 논란을 불러 일으킨다. 마가렛 스컬리와의 관계가 끝나면서 바튼에 대한 진실이 드러난다.

성적 행위 촬영으로 인해 빌과 버지니아의 연구에 관심이 쏠리고, 한편 빌의 어머니는 그들의 사적인 관계에 대해 염려한다.

실험 참여자가 임신하자 빌과 버지니아의 사이에는 금이 생기고, 마가렛 스컬리는 마침내 바튼에 대한 진실을 발견한다.

버지니아는 드파울 박사와 연구를 진행하고, 이에 따라 빌은 혼자 일하게 된다. 하스는 버지니아의 전 연인과 예상치 못한 조우를 하게 된다.

빌은 동료들에게 처음으로 자신의 연구를 발표하다가 격분한다. 한편 스컬리는 마침내 마가렛에게 자신의 비밀 생활에 대해 털어놓는다.