Stany Zjednoczone, rok 1956. Znany i ceniony ginekolog doktor William Masters chce prowadzić badania nad seksualnością człowieka - na czym polega orgazm, jak reaguje ludzkie ciało w stanie pobudzenia, czym się różnią doznania kobiet od mężczyzn. Uważa, że wiele jest do zrobienia na tym polu, a jego projekt ma szanse powodzenia, gdyż będzie pionierski a w dodatku oparty o badania empiryczne - a więc jego wyniki wiarygodne. Wpierw jednak musi przekonać do pomysłu rektora Uniwersytetu Washingtona, Bartona Scully'ego i zarząd szpitala. Nie będzie to łatwe, gdyż temat jest wyjątkowo kontrowersyjny. Doktor Masters nie traci jednak czasu i potajemnie - z pomocą prostytutki Betty DiMello - rozpoczyna obserwacje i zbieranie notatek. Podejmuje też decyzję o tym, aby zatrudnić do pomocy asystentkę - odważną, otwartą na świat, która nie będzie się bała zaryzykować naukowej kariery w imię jego badań. Uwagę Mastersa zwraca Virginia Johnson - młoda atrakcyjna rozwódka, matka dwójki dzieci. Jej zawodowe ambicje i liberalne podejście do seksu czynią z niej idealną dla niego partnerkę. Duet rozpoczyna potajemne badania w szpitalu, zapraszając ochotniczki i ochotników do wzięcia udziału w projekcie. Wkrótce, po serii pierwszych eksperymentów Masters składa Virginii niecodzienną propozycję... W międzyczasie doktor zmaga się z rodzinnym dramatem - on i jego zona Libby od dwóch lat bezskutecznie starają się o dziecko.