威廉·马斯特斯医生成功地将人类性爱拓展为自己的研究领域，但他也苦苦挣扎，努力在对工作的职业精神和个人奉献之间寻求平衡与区别，而他与研究助理弗吉妮亚·约翰逊萌生出感情纠葛 。故事开始于马斯特斯医生的实验初级阶段——通过锁孔观察妓女和嫖客的活塞运动，一脸严肃地掐秒表记录高潮持续的时间。然而当妓女漫不经心地告诉他几乎所有的女人都会伪装高潮时，从不知道这一点的马斯特斯医生大受打击，并决定开展更大规模的真人实验。“孩子们的出生过程能够光明正大地进入学术讨论的殿堂，却从未有一个关于孩子是如何被创造出来的实验。”秉此理念，尽管屡受来自院方的阻力，马斯特斯医生依然坚持自己的性学研究。和大多数科学狂人一样，马斯特斯医生对感情和性爱很笨拙，与妙人一般的妻子缠绵时亦如做实验一样严肃拘谨。和大多数那个年代的男人一样，马斯特斯医生骄傲、男权不容侵犯，隐瞒自己精子活力低的状况，把不孕的责任推给为生孩子而饱受压力的妻子。他能平等对待黑人产妇，但对同性恋妓女希望生个孩子的愿望无法理解。这时候弗吉妮亚·约翰逊出现了。她强悍、灵活、善良，对两性持开放态度，成为治疗马斯特斯医生自负与顽固的一帖药 。局面变得更加复杂，随着两人关系的继续发展，威廉·马斯特斯本就紧张的婚姻到达危急顶点，他的事业和个人职业生涯都面临危险，感情与工作的冲突成为马斯特斯遇到的最大矛盾 。威廉·马斯特斯在另一家医院找到了新工作，弗吉妮亚·约翰逊必须在要求恢复她的职位和支持癌症恶化的德保罗医生之间做出选择。马斯特斯和约翰逊仍在之实验室外进行“研究”，而马斯特斯对他的前任秘书感情也越来越深，但后者不太确定自己想要什么。他们互相伸出了援手，紧紧抓住着对方。弗吉妮亚透露，很久以前的一次分手导致了她对性的无附加条件的态度——为了避免再次心碎——这种“袖手旁观”的心理感觉像是欺骗。她的生活已经充满了孩子和事业抱负。这是一个生活中已经充满了孩子和事业抱负的女人。她不可能不需要男朋友。马斯特斯曾经指出，脆弱性可能是拳击运动中的一项优势，但对弗吉妮亚和莉比来说，在生活中也是如此。德保罗医生必须决定如何在不告诉任何人自己生病的情况下继续工作，而她与弗吉妮亚的坦率谈话使这位冷漠的医生更加令人同情。贝蒂试图让一名年轻女子站起来反抗她放荡的母亲。莉比雇佣了一些帮手，结果导致她与丈夫和保姆之间引发了一场激烈的争斗 。故事的时间背景设定在1966年，也就是第二季结束时的5年以后，威廉·马斯特斯和弗吉妮亚·约翰逊开始将有关性爱的研究公开发表，两人也因此吸引了公众的注意。与此同时，两人跟马斯特斯的妻子莉比的三角关系，也将纠缠不清。在香水行业白手起家的商人丹尼尔·洛根通过威廉·马斯特斯和弗吉妮亚·约翰逊看到了商机，他试图说服这两人将性爱的气味收集到瓶子里，以利用其在市场上推出壮阳药，而他跟二人之间的关系也非常复杂 。