... Amerika herauf, doch die sexuelle Revolution liegt immer noch in weiter Ferne. Sex ist kein Thema, über das man spricht, man tut es und verursacht dadurch ebenso viele Mißverständnisse. Der Gynäkologe Dr. William Masters (Michael Sheen) ist zwar auf seinem Fachgebiet der Star der Washington Universität in St. Louis, doch sein wahres Interesse gilt der tatsächlichen Erforschung des menschlichen Sexuallebens, über das es so gut wie keine niedergelegten Erkenntnisse gibt. Um überhaupt an Daten zu kommen, bezahlt er Prostituierte für heimliche Beobachtungen. Alles ändert sich, als sein Freund und Vorgesetzter Scully (Beau Bridges) für ihn den Weg zu einer offiziellen, aber in den Details geheim gehaltenen Studie frei macht. Gleichzeitig nimmt die geschiedene Mutter zweier Kinder, Virginia E. Johnson (Lizzy Caplan), einen Job als Sekretärin an der Uni an - mit dem geheimen Plan, ihr abgebrochenes Medizinstudium fortzusetzen. Bald schon besetzt sie den Platz in Masters' Vorzimmer, zeigt aber schon bald ausgesprochenes Talent für die Studie und das Thema an sich. Bald schon forscht Masters' an Freiwilligen, die sich hinter geschlossenen Türen dem Liebesakt mit Elektroden hingeben, von gewöhnlichem Sex über Masturbation bis zur detaillierten Erforschung des weiblichen Höhepunkts.
Doch rund um Bill und Virginia türmen sich Schwierigkeiten: Bills Assistent und Protegé Ethan Haas (Nicholas D'Agosto) verliebt sich erst in Virginia und praktiziert dann künstliche Befruchtung bei Masters Frau Libby (Caitlin Fitzgerald). Der hat der daheim sehr verschlossene Masters erklärt, sie wäre zeugungsunfähig, obwohl sie sich ein Kind wünscht - dabei ist bei Masters selbst die Spermienzahl zu niedrig. Gleichzeitig gerät Scully zunehmend wegen seiner versteckten Homosexualität in Nöte, da seine vernachlässigte Frau ihm auf die Spur kommt.
Bald schon läuft die Studie auf Hochtouren, während Masters Eheleben zunehmend leidet. Doch Bill und Virginia sitzen auf einer revolutionären Goldmine...