Действие сериала разворачивается в конце 60-х годов в США. Главный герой - уважаемый доктор и увлеченный исследователь Уильям Мастерс, который работает в одной из лучших клиник страны. Он занимается гинекологией, а также различными нарушениями репродуктивной функции. Множество видных политиков, общественных деятелей и звезд обязаны доктору Мастерсу своей счастливой семьей.
Однако ученый с самого начала своей карьеры мечтал изучать секс как физиологическое явление. Мастерса удивляло и поражало, что наука в полной мере исследует процесс рождения ребенка, но совершенно игнорирует процесс его зачатия. Долгое время герой не мог приступить к своему исследованию, потому что консервативное медицинское общество было не готово принять его работу. Однако в определенный момент Мастерс все-таки выбивает себе право начать исследование в этой области.
В этот же момент он сталкивается с проблемой поиска подходящей ассистентки. Скованные общественной моралью и собственными комплексами секретарши больницы не могут в полной мере погрузиться в исследование и подойти к нему с чисто научной точки зрения. Именно в этот момент в жизни Мастерса появляется обворожительная Вирджиния Джонсон. Раскованная и сексуально раскрепощенная, обладающая незаурядным умом, она становится именно тем толчком, которого так не хватает ученому. Вместе герои приходят к потрясающим результатам, делают множество научных открытий и создают будущий всемирно известный научный труд «Цикл сексуальных реакций человека». Чтобы эмпирически проверить многие теории, герои решают принять участие в исследовании, однако они сами не замечают, когда секс заменяется чувствами. Дело осложняет семейное положение Мастерса: ведь он давно женат на прекрасной и отзывчивой девушке Либби, которая также является подругой Вирджинии. Либби никак не может забеременеть, что причиняет ей невыносимые страдания, а Уильям не может ей помочь.
Окончательно запутавшись в своих чувствах и взаимоотношениях, герои должны выбраться из этого любовного треугольника, не разрушив судьбы друг друга и не потеряв свое исследование.
