La historia de la psicóloga Virginia Johnson (Lizzy Caplan) y el tímido ginecólogo William Masters (Michael Sheen), quienes en los años 60, fueron pioneros en el estudio científico del sexo y de sus efectos en el cuerpo humano y sentaron las bases de lo que se convertiría en la revolución sexual. Él es un ambicioso ginecólogo cuya curiosidad no se corresponde con su actitud reservada ante las emociones y el sexo, mientras que ella, su nueva ayudante, es una madre soltera adelantada a su tiempo, independiente y sexualmente desinhibida. Pese a chocar con el pensamiento de la época, la complicidad de ambos a la hora de defender sus transgresores métodos en favor de la ciencia les llevará a romper los tabúes de la sociedad y los de sus propias vidas.