高名な産科医の一人、ウィリアム・マスターズは、人間の性において革命的な研究をし、名を残したいと考えている医者だ。

マスターズからセックスの実験の被験者カップルとして一緒に参加しようと提案され回答を先延ばしにしたバージニア。

マスターズは、昼間は大学病院で産科の業務に従事する一方で、夜はバージニアと共にベティの娼館で秘密裏にセックス研究を続けていた。

マスターズの性反応の実験は再び病院で行われるようになっていた。

一人で子育てしようと頑張るバージニアに、元夫ジョージの存在がつきまとう。

女性の性反応に関するジークムント・フロイトの説を検証したいとバージニアは考えていた。

バージニアが秘書から研究助手に昇格したため、新たな秘書が雇われるがマスターズは新人を雇った矢先からクビにしてしまう。

ジェーンがマスターズの秘書に落ち着いたおかげで、バージニアは学位を取ることに集中し始めた。

マスターズとバージニアはセックス実験にのめり込み、映像として記録を残そうと考える。そこで顔は映さないという条件でジェーンの自慰行為を撮影する。

バージニアとハスは再び付き合い始めるが、そのことで２人は大きな犠牲を払うことになろうとしていた。

バージニアを解雇したため、マスターズはジェーンとともに研究報告の準備に奮闘する。慌ただしく動き回る夫を見たリビーは手伝いを買って出る。

ハスが就職の面接でロサンゼルスへと向かう中、ジェーン、リビー、レスターの３人はマスターズの研究報告会の準備に追われていた。

セックスの研究報告が失敗に終わり、マスターズは病院を去り、今や新しい病院を探していた。

マスターズが新任先でグレートハウスから秘書を押し付けられる一方、バージニアは女性の性反応の実験で使用していたディルドを・・・

マスターズの患者、ボンベック夫妻に子供が生まれた。その子供は遺伝子上では男の子だが、男女両方の生殖器を持っていた。

実験を続けるためにホテルで密会していたマスターズとバージニアだが、そこに宿泊していたランガムに気づかれてしまう。

ビュエル・グリーン病院へ移った夫を気に掛けるリビー。マスターズはバージニアにビュエル・グリーン病院でのポジションを確保したと伝えるが…

マスターズとバージニアは実験の被験者という域を超えずに関係を続けていた。

マスターズとバージニアはビュエル・グリーン病院を離れセントルイスの一画にあるビルに診療所を構えた。

マスターズと同じ医大に通っていたフランク・メイソンとその妻ポーリーンが不妊治療のためにセントルイスを訪れる。

バージニアは、バーバラに成りすましてカウンセリングを受け、治療法がないかと模索する。

マスターズは弟との再会に困惑していた。バージニアは臨床心理士のマデン博士にバーバラ・サンダーソンの名を借りて博士の性不全への・・・

マスターズは宣伝マンのシェップの手配により、CBSの撮影に挑もうとしていた。

マスターズとの性交がうまくいったことで勃起不全治療の可能性が見えてきた矢先、バージニアは家庭の危機に直面する。

本の出版に先がけてボストンで記者むけの会見を行おうと考えるウィリアム・マスターズとバージニア・ジョンソン。

バージニアの妊娠を見抜いたマスターズは、彼女の元夫ジョージが父親だと知り驚く。

「人間の性反応」が出版され、新聞や雑誌に肯定的な論評が次々と掲載された。

本の売り上げペースが落ちてきたことを心配したマスターズは、著者本人が積極的に売り出していく宣伝ツアーに同意し、本の増版を狙う。

バージニアが自宅の寝室でマスターズと過ごしていると、彼女の両親であるエドナとハリーがテッサと共に現れる。

香りと性反応の実験を行うバージニアとダン・ローガンは、フェロモンの働きに注目する。