In oktober 1956 dient onderzoeker en pionier van de seksuologie, Dr. William ‘Bill’ Masters (Michael Sheen), een voorstel in voor een studie over de menselijke seksualiteit. Zijn presentatie wordt echter verworpen door zijn thuisuniversiteit (de Universiteit van Washington) wegens te controversieel. Masters laat zich echter niet ontmoedigen. Op eigen houtje neemt hij al snel nachtclubzangeres Virginia Johnson (Lizzy Caplan) aan als secretaresse voor zijn project. Onderwerp van de studie wordt dan weer de lesbische prostituee Betty Dimello (Annaleigh Ashford), die Masters onder andere inwijdt in de kunst van het gefakete orgasme. Ondertussen gaat Virginia op zoek naar bijkomende, mannelijke en vrouwelijke subjecten. En voor ze het goed en wel beseffen, zitten uiteraard ook Bill, Virginia en hun naasten zelf in het onderzoek.
