Le parcours de Masters et Johnson, un gynécologue et sa secrétaire, qui mènent une étude sur la sexualité humaine pour venir en aide aux couples en crise.
Dans les années 50, à Saint-Louis, dans le Missouri, William Masters, gynécologue à succès, souhaite mener une étude sur la sexualité humaine. Il embauche une nouvelle secrétaire, Virginia Johnson, qui se révèle si compétente qu'elle en devient une précieuse associée. Le duo commence, au sein de l'hôpital qui l'emploie, ses recherches en sexologie pour tenter de venir en aide aux couples en crise. Désireux de théoriser leur savoir, ils mènent des expériences sur des sujets volontaires, suscitant bientôt l'hostilité d'une partie de leurs collègues...