Le Dr William Masters, gynécologue-obstétricien de renom à l'Université Washington, dirige un cabinet médical prospère le jour et mène une étude secrète sur la sexualité humaine la nuit. Virginia Johnson, ancienne chanteuse de cabaret, intègre le secrétariat de l'hôpital et se révèle être un atout précieux pour les travaux du Dr Masters.