Dr. William Masters leitet tagsüber eine erfolgreiche Arztpraxis und führt bei Nacht eine heimliche Studie zur menschlichen Sexualität durch. Die ehemalige Nachtclub-Sängerin Virginia Johnson tritt eine Stelle als Sekretärin bei ihm an.

Die Fakultätsleitung hat von Masters unkonventionellen Forschungsmethoden Wind bekommen und seine Studie gestoppt. Er beschuldigt Virginia, geplaudert zu haben und kündigt ihr.

Dr. Masters will seine im Bordell durchgeführte Studie um männliche Probanden erweitern. Als er erfährt, dass die erste männliche Testperson ein Homosexueller ist, kommt er zu dem Schluss, dass die ganze Studie unter den gegebenen Bedingungen nicht repräsentativ sein kann. In Rückblenden wird die frühe Beziehung von Masters zu seinem Rektor Scully beleuchtet, als Masters noch ein junger Assiste..

Virginia verbringt eine Nacht mit ihrem Ex-Mann, der sich ohne ihr Wissen unter falschem Namen auch für die Studie anmeldet. Libby versucht währenddessen, Virginia mit Ethan Haas zu verkuppeln, ohne von deren gemeinsamer Vergangenheit zu wissen. William und Libby bekommen Besuch von Williams Mutter. William wird von einer Patientin mit dem Wunsch nach Sterilisation konfrontiert, da sie offensic..

Rektor Scullys Tochter Vivian versucht, Ethan zu überzeugen, dass sie reif genug und bereit für eine lockere sexuelle Beziehung ist. Doch nachdem sie miteinander geschlafen haben, wird ihm klar, dass Vivian noch Jungfrau war. Virginias Sohn Henry fühlt sich von ihr vernachlässigt und sagt ihr, dass er lieber bei seinem Vater leben möchte. Virginia verspricht ihren Kindern daraufhn einen schönen..

William und Libby wollen während eines Kurzurlaubs in Miami Abstand von ihrem tragischen Erlebnis gewinnen, aber William widmet sich mehr seinen Büchern als seiner Ehefrau.

William und Virginia beginnen, unter dem Vorwand, es diene der Studie, miteinander im Labor Sex zu haben. Libby stört, dass William abends immer zu abgespannt ist, um mit ihr zu schlafen, da sie sich nach wie vor ein Kind wünscht. Sie sucht ausgerechnet bei Virginia Rat.Margaret Scully setzt ihre Affäre mit Dr. Langham fort, während ihr Ehemann angegriffen und verletzt wird, als er auf seinen S..

William lässt von einem Techniker eine Kamera bauen, um die innerkörperlichen Vorgänge während der weiblichen Masturbation zu dokumentieren.

Während William gemeinsam mit Virginia weiterhin mit Filmaufnahmen experimentiert, traut sich Libby nicht, ihm von ihrer erneuten Schwangerschaft zu erzählen.

Während das Krankenhaus an einer Zivilschutzübung für den Fall eines atomaren Angriffs teilnimmt, versucht Ethan herauszufinden, wem er seine negative Jobbeurteilung zu verdanken hat.

William ist ohne Virginia bei der Vorbereitung seines Vortrages überfordert. Libby überredet ihn, als Aushilfssekretärin einzuspringen. Virginia begleitet Dr. DePaul zu einer Ärztekonferenz, auf der diese Unterstützer für ihre Krebsstudie gewinnen will. Unterdessen passt Ethan zu Hause auf Virginias Kinder auf, wird dabei aber von deren leiblichem Vater überrascht

William bereitet mit großen Erwartungen seinen Vortrag über die Studie vor, aber die Vorführung der Filmaufnahmen löst einen Eklat aus. Ethan sieht sich an der Westküste nach einem neuen Job um.