Siamo nel 1956 e il rinomato ostetrico Dr. William Masters (Michael Sheen) cerca di espandere la sua ricerca pioneristica sulla sessualità umana. Tuttavia, deve prima superare la resistenza dei suoi colleghi della Washington University e trovare un'assistente che non si opponga a documentare il suo lavoro controverso. Masters assume Virginia Johnson (Lizzy Caplan), una madre divorziata le cui ambizioni di carriera e atteggiamenti sexy la rendono una partner ideale per il loro studio. Passando dall'ospedale ad una "casa chiusa" e viceversa, per condurre le loro ricerche, affrontano le complicate vite personali e il loro rapporto sempre più complesso e intimo. Eppure, mentre Masters subisce un contraccolpo dal suo lavoro, con il supporto di Johnson, produce ricerche avanguardiste che aprono la strada alla prossima rivoluzione sessuale.