Nommée aux Golden Globes et récompensée aux Emmy Awards en 2014, cette série se situe dans les années 1950, où le troublé et taciturne Dr William Masters s'associe avec une jeune mère de famille, l'indépendante et libérée Virginia Johnson, afin de mettre au point une étude complexe et détaillée sur le comportement humain et son rapport à la sexualité. Endossant le rôle de véritables pionniers dans ce domaine encore considéré tabou pour l'époque, ce duo hétéroclite va devoir braver les obstacles qui vont se mettre en travers de leur chemin.

Le Dr William Masters, un obstétricien réputé, s’associe à Virginia Johnson, une mère divorcée, pour effectuer des recherches inédites qui déclenchent la révolution sexuelle.

Forcé de déménager son cabinet dans une maison close de Saint-Louis, Masters se voit obligé de rappeler Johnson pour que les choses puissent avancer.

Johnson est horripilée par l’embauche d’une nouvelle docteure. Pour sa part, Masters craint que le fait de mener leur étude dans une maison close vienne fausser les résultats. Haas bataille pour être autorisé à s’occuper de l’accouchement de quadruplets.

De pénibles souvenirs d’enfance amènent Masters à douter de sa capacité à être un bon père. L’arrivée de son ex-mari surprend Johnson.

Au moment où Masters est hanté par les traumatismes qu’il a vécus dans son enfance, Haas cherche à faire avancer sa carrière en sortant avec la fille adolescente de Scully.

Masters et Libby sont aux prises avec les conséquences de la fausse couche de cette dernière. Johnson propose de mener une étude qui remet en question les théories de Freud sur la réponse sexuelle féminine, et Margaret Scully, déçue par sa vie sexuelle à la maison, décide de se porter volontaire pour l’étude.

Lorsque Master et Johnson étudient leur propre relation sexuelle, celui-ci doit faire face aux conséquences pour sa vie de couple. Alors que Margaret profite d’un voyage d’affaires de son mari pour passer du temps avec Langham, une agression menace de révéler la vie secrète de Scully au grand jour.

Au moment où Masters et Johnson se préparent à filmer leur travail, la fin de la liaison de Margaret amène celle-ci à s’approcher de la vérité quant au secret de Scully.

Le film sur les sujets de l’étude par Masters et Johnson prend une tournure osée, voire illégale, et leur relation intime inquiète la mère de Masters.

Au moment où une simulation de catastrophe nucléaire préoccupe le personnel de l’hôpital, la grossesse d’une participante à l’étude accentue la division entre Masters et Johnson. Margaret apprend la vérité sur son mari, et Haas découvre qu’il pourrait bientôt avoir à quitter l’hôpital.

Alors que Masters s’efforce de poursuivre son travail sans Johnson, celle-ci cherche à aider la Dre DePaul à promouvoir son travail sur la santé des femmes. L’ex-mari de Johnson s’en prend à Haas lorsqu’il découvre que ce dernier s’occupe de ses enfants pendant que leur mère assiste à une conférence.

La présentation de ses travaux sur la sexualité soulève une tempête de protestations, et Johnson doit en affronter les conséquences. Scully avoue la vérité à Margaret sur son passé sexuel, alors que Haas cherche du travail en Californie.