Im Oktober 1956 stellt der Gynäkologe Dr. William Masters (Michael Sheen) an der Washington University, an der er angestellt ist, Pläne zur Durchführung einer kontroversen Studie über die menschliche Sexualität vor. Obwohl die Universität ihm ihre Unterstützung verwehrt, beginnt Masters trotzdem mit seinen Forschungen. Als Assistentin engagiert er die aufgeschlossene Sekretärin und ehemalige Nachtclub-Sängerin Virginia Johnson (Lizzy Caplan). Die mausert sich jedoch schnell von einer bloßen Hilfskraft zu einer tatkräftigen Partnerin, die mehrere Männer und Frauen überzeugen kann, an der Studie teilzunehmen, und selbst immer mehr in die wissenschaftlichen Hintergründe ihres neuen Arbeitsumfeldes abtaucht. Gleichzeitig müssen sie und Masters sich jedoch auch mit ihren ganz persönlichen Problemen herumplagen und obendrein den skeptischen Hochschulleiter Barton Scully (Beau Bridges) immer wieder aufs Neue von der Relevanz ihrer ebenso bahnbrechenden wie aufsehenerregenden Forschungen überzeugen.