Mayfair Witches, une neurochirurgienne qui, malgré ses longues études et ses capacités indéniables, n’arrive pas à avoir confiance en elle. Instable et fragile, elle se laisse plonger dans l'alcool et les coups d’un soir après la mort de sa mère, emportée par un cancer. Alors qu’elle est au plus mal, elle découvre, lors d’un événement tragique, qu’elle a des pouvoirs terrifiants. En effet, elle est capable de tuer n’importe qui simplement par la pensée.

L’histoire vraie de William Masters, gynécologue, et Virginia Johnson, son assistante libérée, tous 2 pionniers de la recherche sexuelle. Ensemble, ils étudient scientifiquement les comportements sexuels, en particulier ceux de la femme, et cherchent à découvrir les secrets du désir et de l’orgasme.

En 1966, l'étude de Bill et Virginia, rendue publique, amorce une révolution dans les moeurs. Le mariage de Bill est mis à rude épreuve.

Après son renvoi de l’hôpital Maternity, le Dr William Masters doit trouver un endroit où lui et Virginia Johnson peuvent continuer à travailler. En raison du sujet controversé de leur étude, ils sont éjectés de deux autres hôpitaux avant d’être forcés d’ouvrir leur propre clinique. Alors que leur recherche pour un traitement des troubles liés à la sexualité prend une autre dimension, Masters est confronté à l’insatisfaction croissante de son épouse et le retour inattendu de son frère pendant que Johnson, elle, risque de perdre la garde de ses deux enfants.

Après le scandale qui l'a éclaboussé, Masters a presque tout perdu. Mais Virginia revient de sa relation avec Dan et se rapproche à nouveau de lui.