Dr. William Masters, o mais importante OB/GYN da Universidade de Washington, administra uma prática médica bem-sucedida durante o dia e conduz um estudo secreto da sexualidade humana à noite. A ex-cantora de boate Virginia Johnson se junta à equipe de secretaria do hospital e prova ser um trunfo para o trabalho de Masters.

Seguindo a proposta de Masters de que eles participassem do estudo de resposta sexual, Johnson considera o melhor curso de ação para manter seu emprego - apenas para descobrir que ela não tem mais um. O estudo foi forçado a sair do hospital e Masters acredita que Johnson é o culpado. Enquanto Johnson luta para salvar seu emprego e se esforça para cuidar de seus filhos, Masters muda seu escritório para um bordel. Mas Masters logo descobre que o caos do bordel é incontrolável sem a ajuda de Johnson.

Masters e Johnson continuam suas pesquisas no bordel, mas dados distorcidos confirmam que Masters deve levar o estudo de volta ao hospital. No hospital, Johnson fica surpreso ao saber que uma nova médica ilustre no andar de OB/GYN é uma mulher que não tem interesse na solidariedade feminina. Enquanto isso, Libby luta para engravidar e o Dr. Ethan Haas recebe o caso de sua vida - uma mulher grávida de quadrigêmeos.

Com o estudo de volta ao hospital, Masters e Johnson recrutam novos participantes no campus. Mas Johnson fica chocada quando seu ex-marido George, que está dormindo em seu sofá, quer se inscrever. A mãe de Masters vem visitá-lo, mas sua nova visão de vida desperta lembranças dolorosas de sua infância. E a tentativa de Libby de bancar a casamenteira com Virginia e Ethan não corre tão bem quanto ela esperava.

Quando Masters e Johnson expandem o estudo para incluir casais, eles descobrem que a ciência do sexo é facilmente complicada pelo mistério da atração. Johnson tenta se conectar com seu filho, que prefere o pai. Antecipando a chegada iminente de seu bebê, Masters sente ansiedade em se tornar pai. E o Dr. Ethan Haas descobre que namorar a filha do reitor pode afetar sua carreira médica.

Após o aborto espontâneo, Libby e Masters viajam para Miami para descansar e relaxar, mas Masters é atraído de volta ao trabalho por um casal sexualmente aventureiro que mora ao lado. Sozinha no hospital, Virginia convoca Jane para tentar desmascarar a teoria de Freud de que um tipo de orgasmo feminino é melhor do que outro. E Langham encontra uma cura improvável para sua disfunção sexual em Margaret Scully.

Masters e Johnson continuam seu estudo de resposta sexual – agora como participantes – mas Johnson teme que seu trabalho possa estar interferindo na vida doméstica de Masters. Libby pressiona a Dra. Haas a retomar seus tratamentos de fertilidade em segredo. Enquanto isso, Haas luta para deixar de lado os sentimentos por Virginia enquanto seu relacionamento com Vivian se aprofunda. E Margaret Scully, apanhada em sua infidelidade, confronta o marido sobre os crescentes problemas em seu casamento.

Masters e Johnson decidem que a melhor maneira de registrar as descobertas de seus estudos é filmá-los, mas para isso precisam de ajuda externa. Johnson redobra seus esforços para obter um diploma universitário, apenas para descobrir que a aula de anatomia básica do Dr. DePaul é um requisito. Enquanto isso, Haas e Langham – ambos inseguros em seus relacionamentos – se convencem dos méritos de ser um homem casado. E depois que Margaret o pega em uma posição comprometedora, Scully toma medidas drásticas para controlar seus impulsos sexuais.

Quando Masters e Johnson decidem filmar reações externas no estudo, eles devem convencer Lester e Jane de que suas filmagens não cruzarão a linha da pornografia. Os planos de Haas e Vivian para um casamento na igreja presbiteriana são desviados quando Haas revela que é judeu. Libby mantém sua gravidez em segredo de Masters e, em vez disso, o encoraja a consertar seu relacionamento com sua mãe. Mas durante visitas noturnas ao hospital, Estabrooks observa o relacionamento íntimo de Masters e Johnson.

O hospital participa de um exercício nacional de defesa civil, e a atmosfera intensificada aumenta os conflitos entre a equipe. Uma ex-participante do estudo revela que está grávida e quer saber a identidade do pai. Masters e Johnson, com seu relacionamento tenso após o término de sua participação no estudo, discutem se devem manter a confidencialidade do estudo ou assumir a responsabilidade. Haas descobre que lhe foi negado um futuro emprego no hospital, mas erroneamente assume que seu rompimento com Vivian é o culpado. Margaret Scully busca respostas sobre a sexualidade de seu marido em uma fonte improvável.

Com Johnson não mais em sua equipe, Masters aceita a oferta de Libby para ajudar a compilar o trabalho de estudo para uma apresentação em todo o hospital. Mas quando Masters vê a apresentação de outro médico colocar seus colegas para dormir, ele fica determinado a chamar a atenção deles, mesmo que isso signifique avançar em pesquisas provocativas, mas incompletas. Dr. DePaul e Johnson viajam para uma convenção médica e DePaul fala sobre por que seu trabalho no exame de Papanicolaou é tão importante. E o ex-marido de Virginia, George, retorna para encontrar Ethan Haas bancando o pai de seus filhos.

O trabalho de Masters sobre a sexualidade humana culmina com uma apresentação em todo o hospital dos resultados da pesquisa dele e de Johnson. Mas quando Masters tenta ir além com a filmagem externa do orgasmo feminino, a resposta dos médicos ao filme não é o que ele esperava. Enquanto isso, Haas aceita uma oferta de emprego no Hospital da UCLA e considera o que uma mudança significaria para seu relacionamento com Virginia. Scully busca um tratamento de eletrochoque na esperança de curar sua homossexualidade, mas Margaret tem dúvidas sobre os riscos envolvidos.