Dans les années 1950, le troublé et taciturne Dr William Masters s'associe avec une jeune mère de famille, l'indépendante et libérée Virginia Johnson, afin de mettre au point une étude complexe et détaillée sur le comportement humain et son rapport à la sexualité. Endossant le rôle de véritables pionniers dans ce domaine encore considéré tabou pour l'époque, ce duo hétéroclite va devoir braver les obstacles qui vont se mettre en travers de leur chemin. C'est sans compter sur leurs vies privées qui vont s'entremêler avec le temps : Masters doit gérer sa relation tumultueuse avec son épouse, la délicate Libby, tandis que Virginia doit jongler entre son statut de figure maternelle célibataire et ses dilemmes aussi bien professionnels qu'amoureux.
Un lieutenant du S.W.A.T est tiraillé entre sa loyauté envers ses origines modestes, dont ses amis de la rue avec qui il a grandi et qui n'ont pas aussi bien tourné que lui, et son devoir envers ses co-équipiers. Une dualité qui finit par prendre tout son sens lorsqu'il se voit chargé d'organiser une unité hautement qualifiée pour résoudre les crimes à Los Angeles.
Cela fait près de 30 ans que le Dr Sam Beckett est entré dans l'accélérateur de particules et a disparu. Aujourd’hui, une nouvelle équipe, dirigée par le physicien Ben Song a été constituée pour relancer le projet dans l'espoir de comprendre les mystères derrière la machine et l'homme qui l'a créée. Après avoir effectué un saut non autorisé dans le passé, Ben se retrouve à son tour dans une spirale temporelle, passant de vie en vie et d’époque en époque.