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Virginia Johnson于上世纪六十年代协助William Masters在大学校园及学校周边的建筑里开展了一系列性学实验和研究，志愿者当中多数是大学生、护士及学校教职员工的妻子。当时William是一间大医院最著名的妇产科教授，Virginia只是个前夜总会歌手刚刚加入医院做助理。William白天开展医院的工作，晚上开展两性研究和实验。Virginia应聘成为William的助手后很快进入了角色，并且用实际行动证明自己对William的研究很有价值。William和Virginia的实验帮助他们确定了当代性学中的一些重要问题。随后他们的实验扩展到上百对已婚夫妇或未婚情侣。他们于1966年和1970年分别出版了两本专著，很快成为当时红极一时的畅销书。在接下来的20年时间里，Masters夫妇成了西方社会的名人，频频见诸于各大媒体（仅在某著名谈话节目中就做过十几次访谈，还登上过《时代》杂志封面）。他们的研究对当代西方社会的性观念有较大影响。
Masters提议他和Johnson一起参与性反应研究，Johnson考虑用最佳方案来保住自己的工作。不过她很快发现……自己其实已经没有任何工作了。医院禁止Masters和Johnson在院内进行性反应研究，Masters认为这应该责怪Johnson。Johnson竭力挽救自己的工作，同时想尽一切办法来照顾孩子。Masters决定将研究地点转移到一家妓院，但他很快发现如果没有Johnson帮助他进行管理，他根本无法控制妓院里乱糟糟的局面。
Masters和Johnson继续在妓院里从事性学研究，但是研究数据总是出错。Masters意识到这里终究不是适合学术研究的地方，他们必须回到医院。在医院里，Johnson惊讶地发现妇产科新来的优秀女医生竟然对「妇女团结」的理念毫无兴趣。与此同时，Libby为怀孕而努力；Ethan Haas医生接到一个一生只有一次的罕见病例：一个女人怀了四胞胎。
性学研究重回医院，Masters和Johnson决定在大学校园里招募更多的志愿者参与研究项目。Johnson的前男友George（一直在她家借住）也决定报名参加，令Johnson震惊不已。Masters的母亲前来探亲，但是她对生活的新态度勾起了Masters痛苦的童年回忆。Libby想撮合Virginia和Ethan，但她这个红娘实在失败，事情的进展完全不像她想象的那样顺利。
Masters和Johnson决定扩大研究范围，将夫妇和情侣列入研究对象。他们发现了一个令人困惑的现象：性科学通常会因为尚不为人知的「两性相吸」的秘密而变得复杂化。Johnson希望和儿子改善关系，但儿子更愿意和父亲待在一起。Masters对即将出生的孩子充满期待，但是对自己即将成为一个父亲的事实感到焦躁。Ethan Haas医生终于发现……与院长的女儿约会可能严重影响他的医学事业。
Libby不幸流产后，Masters决定带她去迈阿密修养。一对喜欢性冒险的邻居提出了一些令Masters心动的想法，令他放弃休假重返工作岗位。在Masters离开期间，Virginia邀请Jane帮助她检验弗洛伊德的理论：一种形式的女性性高潮要优于另一种形式。Langham意外地在Margaret Scully身上找到了治疗自己性功能障碍的「良药」。
Masters和Johnson继续他们的性学研究（现在他们自己也是参与者了），但是Johnson担心他们的工作可能会影响Masters的家庭生活。Libby向Haas医生施压，试图让他继续为自己进行受孕治疗——但这一次必须保密。与此同时，Haas与Vivian的关系虽然不断加深，但Haas仍然对Virginia不能忘情。Margaret Scully的私情曝光后，她主动向丈夫摊牌，称他们的婚姻中有太多可悲的问题。
Masters和Johnson认为记录研究成果的最佳方式就是用影片将它们拍摄下来，于是他们决定借助外力。为了获得大学学位，Johnson付出了双倍的努力，却发现一个条件是必须的：DePaul医生的基础解剖课程。与此同时，Haas和Langham都对自己的爱情关系何去何从感到困惑，于是坐在一起谈论作为一个「已婚男人」的优缺点。Margaret发现了Scully的丑事，Scully不得不采取激进手段来控制自己的性冲动。
Masters和Johnsonc准备用摄像机记录研究对象Lester和Jane的「外在反映」，但他们必须首先劝说两人相信一件事：他们拍摄的这些视频与色情电影根本不沾边。Haas和Vivian在一家基督教长老会教堂举行结婚仪式的计划遇到严重障碍——因为Haas称自己是个犹太人。Libby向Masters隐瞒了自己怀孕的事实，并且鼓励他与母亲改善关系。Estabrooks深夜来到医院，偶然发现了Masters和Johnson的亲密关系。
医院参与一次全国性的民防演习，但是紧张的气氛导致医院员工之间的矛盾加剧。一名曾经参与研究的志愿者声称自己已经怀孕，要求知道孩子父亲的真实身份。Masters和Johnson不再亲自参与临床试验，他们的关系也因此变得紧张起来。在「保持研究的机密性还是勇于承担责任」的问题上，他们始终难以统一意见。Haas得知自己没能获得心仪的工作机会，但他误以为自己与Vivian分手是导致这个结果的主要原因。Margaret Scully向一个不靠谱的对象询问丈夫的「性问题」。
