Dans les années 50, à Saint-Louis, dans le Missouri, William Masters, gynécologue à succès, souhaite mener une étude sur la sexualité humaine. Il embauche une nouvelle secrétaire, Virginia Johnson, qui devient vite son associée.
Le parcours de Masters et Johnson, un gynécologue et sa secrétaire, qui mènent une étude sur la sexualité humaine pour venir en aide aux couples en crise.