In 1956 wordt voormalig nachtclubzangeres en alleenstaande moeder Virginia Johnson assistent van de beroemde verloskundige William Masters. Ze beginnen aan hun baanbrekende onderzoek naar de menselijke seksualiteit, terwijl ze proberen hun persoonlijke gevoelens voor elkaar te ordenen. Masters' vrouw Libby probeert een kind te verwekken om haar huwelijk te redden. Dr. Ethan Haas irriteert onder begeleiding van Dr. Masters en houdt zich bezig met een veranderende samenleving. Universiteitsprovoost Barton Scully heeft moeite om zijn beschermeling William Masters te steunen terwijl hij te maken heeft met een lang bewaard persoonlijk geheim

Dr. William Masters en Virginia Johnson hebben moeite om hun werk weer op de rails te krijgen, terwijl ze hun relatie naar een veel intiemere niveau evolueert. Libby belandt in een liefdeloos huwelijk en gaat vrijwilligerswerk doen. Voormalig prostituee Betty DiMello streeft naar de Amerikaanse droom en komt terecht bij Masters en Johnson. Dr. Austin Langham wordt de woordvoerder van een populair dieetbedrijf en als speeltje voor de agressieve oprichter.

Welkom in de swingende jaren zestig. Doordat de publicatie van hun controversiële studie in de schijnwerpers wordt geplaatst, worden Dr. William Masters en Virginia Johnson de onwaarschijnlijke leiders van de seksuele revolutie. Maar terwijl de hernieuwde roem en druk toenemen, raakt hun relatie verwrongen en verward, waardoor het stel in een positie terechtkomt die zelfs zij misschien niet aankunnen.