Stany Zjednoczone, rok 1956. Znany ginekolog doktor William Masters (
Michael Sheen) chce prowadzić badania nad seksualnością człowieka. Wpierw jednak musi przekonać do pomysłu swoich kolegów z Uniwersytetu Washingtona, dla których temat jest zbyt kontrowersyjny. Musi też znaleźć asystentkę, chętną do pracy przy tak niecodziennym projekcie. Masters naciska więc na władze uczelni, by udzieliły mu wsparcia a w międzyczasie poznaje Virginię Johnson (
Lizzy Caplan) - rozwiedzioną matkę dwójki dzieci. Jej zawodowe ambicje i liberalne podejście do seksu czynią z niej idealną partnerkę dla Mastersa. Duet naukowców, dokumentując seksualne zwyczaje Amerykanów, odwiedza zarówno szpitale jak i domy publiczne, a z czasem zaczyna prowadzić pierwsze badania empiryczne, do których zgłaszają się ochotnicy. Nie wiedzą, że ich praca przyczyni się do wybuchu rewolucji obyczajowej, jaka za kilka lat przejdzie przez Stany Zjednoczone.