Действие сериала «Мастера секса» разворачивается в 1950 годы. Уильям Мастерс (Майкл Шин) — успешный профессор в области гинекологии, работающий в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. В свободное от врачебной практики время он проводит не афишируемые эксперименты, направленные на исследование женской сексуальности. Его работой интересуется Вирджиния Джонсон (Лиззи Каплан), новая секретарша, а ранее — певица в ночном клубе. Вскоре Мастерс обнаруживает, что ему не помешала бы помощь ассистентки, а затем подопытной становится и она сама. Изучение секса позволяет Мастерсу отвлечься от личных проблем дома, где каждый вечер его ожидает жена, почти потерявшая надежду забеременеть. Однако постепенно внимание героя переключается на Вирджинию, которая вызывает у него не только научный интерес.