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.

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 que la mejor manera de registrar los hallazgos del estudio es filmarse a si mismos, pero para hacerlo tienen que contar con ayuda externa. Johnson redobla sus esfuerzos para conseguir un título universitario, sólo 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 después que Margaret lo atrapa en una posición comprometedora, Scully toma medidas drásticas 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.

El hospital participa en un simulacro de defensa civil a nivel nacional, y el ambiente cargado intensifica los conflictos entre el personal. Un ex participante del estudio revela que está embarazada y quiere saber la identidad del padre. Masters y Johnson, con su relación tensa después de poner fin a su participación en el estudio, no se ponen de acuerdo sobre si mantener la confidencialidad del estudio o asumir la responsabilidad. Haas se entera de que ha sido negado un trabajo futuro en el hospital, pero equivocadamente asume que su ruptura con Vivian es la culpable. Margaret Scully busca respuestas acerca de la sexualidad de su marido de una fuente inesperada.

Con Johnson fuera de su equipo, Masters acepta la oferta de Libby para ayudar a compilar el trabajo del estudio para una presentación en todo el hospital. Pero cuando Masters ve la presentación de otro doctor adormeciendo a sus colegas, él se decide a captar su atención, incluso si esto significa presentar una provocadora, pero incompleta, investigación. Dr. DePaul y Johnson viajan a una convención médica y DePaul le confiesa a Johnson por qué cree que el trabajo de esta en la prueba de Papanicolaou es tan importante. Y el ex marido de Virginia, George, regresa, solo para encontrar a Ethan Haas jugando a padre de sus hijos.

El trabajo de Masters acerca de la sexualidad humana, culmina con una presentación para todo el hospital de los resultados de la investigación suya y de Johnson. Pero cuando Masters intenta sobrepasar los límites con imágenes del orgasmo femenino, la respuesta de los médicos a la película no es lo que él había esperado. Mientras tanto, Haas sopesa una oferta de trabajo en el Hospital de la UCLA y considera lo que significaría esta decisión para su relación con Virginia. Scully persigue el tratamiento de electroshock con la esperanza de curar su homosexualidad, pero Margaret tiene dudas acerca de los riesgos involucrados.

Tras ser despedido del hospital por la polémica presentación, Bill Masters busca un nuevo trabajo presionado por su mujer, Libby. Virginia, mientras tanto, continúa trabajando para la doctora DePaul al tiempo que lidia con ciertos rumores.

El libro de Masters y Johnson se ha publicado y, aunque las críticas son positivas, la respuesta del público provoca inquietud en la oficina. Tessa sufre las consecuencias en la escuela de que su madre sea el centro de atención, mientras Libby hace lo que puede para mantener su vida social separada de su amistad con Virginia. Masters y Johnson, por su parte, buscan capitalizar su creciente fama.

Masters y Johnson admiten a una celebridad que busca reanimar su vida sexual. Tessa entiende mejor la actitud de su madre. Libby se involucra cada vez más en la vida de Joy, pero las consecuencias de esto afectarán a Paul.

Masters y Johnson son entrevistados a causa de un nuevo paciente bastante exótico.

Virginia miente sobre su relación con Logan mientras Masters pone en práctica un programa bastante polémico. Betty y Helen toman una decisión en cuanto al padre del bebé.

Después de la desastrosa cena en Nueva York, Masters y Johnson se encuentran con el trabajo de sus vidas amenazado por la exhaustiva mirada de la prensa y del editor que prepara su nuevo libro.