William Howell Masters nasceu a 27 de Dezembro de 1915, em Cleveland, Ohio, para Francis Wynne e Estabrooks (Taylor) Masters. Frequentou a escola pública em Kansas City até ao oitavo ano e depois frequentou a Lawrenceville School em Lawrenceville, Nova Jersey. Em 1938 recebeu um Bacharelato do Hamilton College, onde dividiu o seu tempo entre cursos de ciências e desportos tais como basebol, futebol e basquetebol. Foi também activo no debate no campus. Entrou para a Faculdade de Medicina da Universidade de Rochester e começou a trabalhar no laboratório do Dr. George Corner, que estava a comparar e a estudar as vias reprodutivas de animais e humanos.
Durante o seu ano júnior na faculdade de medicina, o mestrado interessou-se pela sexualidade porque era a última função fisiológica cientificamente inexplorada. Depois de ter servido brevemente na marinha, recebeu o seu M.D. em 1943. O mestrado interessou-se pelo trabalho do Dr. Alfred Kinsey, um professor de zoologia da Universidade de Indiana que tinha entrevistado milhares de homens e mulheres sobre as suas experiências sexuais. Escolhendo um campo que o ajudasse a preparar-se para a investigação da sexualidade humana, o mestrado tornou-se estagiário e mais tarde residente em obstetrícia e ginecologia no Hospital St. Louis e no Hospital Barnes em St. Louis. Fez também um estágio em patologia na Faculdade de Medicina da Universidade de Washington. Em 1947 entrou para o corpo docente em Washington e avançou de instrutor para professor associado de obstetrícia clínica e ginecologia. O mestrado conduziu investigação na área e contribuiu com dezenas de artigos para revistas científicas. Uma das suas áreas de interesse era o tratamento e substituição hormonal em mulheres na pós-menopausa.
Por volta de 1954, Mestre decidiu que estava pronto para empreender investigação sobre a fisiologia do sexo. Estava preocupado com o facto de a profissão médica ter muito pouca informação sobre sexualidade para compreender os problemas dos clientes. Kinsey tinha dependido de histórias de casos, entrevistas, e dados em segunda mão. O mestrado deu o passo seguinte, que era o de estudar a estimulação sexual humana utilizando tecnologia de medição numa situação de laboratório.
Masters lançou o seu projecto na Universidade de Washington, assistido por uma bolsa do Instituto de Saúde dos Estados Unidos da América. No início recrutou prostitutas para estudo, mas considerou-as inadequadas para os seus estudos de sexualidade “normal”. Em 1956 contratou Virginia Eshelman Johnson, uma estudante de sociologia, para ajudar na entrevista e no rastreio de voluntários. O estudo foi realizado durante um período de onze anos com a participação de 382 mulheres e 312 homens. Os sujeitos variavam entre os dezoito e os oitenta e nove anos de idade e eram pagos pelo seu tempo. Os mestres encontraram um ciclo de quatro fases relacionadas com as respostas sexuais masculinas e femininas. Para medir as mudanças fisiológicas, utilizou electroencefalógrafos, electrocardiógrafos, cinematografia a cores, e estudos bioquímicos.
Masters foi muito cauteloso e meticuloso em proteger a identidade dos seus voluntários. Em 1959, enviou alguns resultados a revistas médicas, mas continuou a trabalhar em relativo sigilo. Após o conteúdo dos estudos ter sido divulgado, a equipa teve dificuldade em obter dinheiro para bolsas, pelo que em 1964 o mestrado tornou-se director da Reproductive Biology Foundation, um grupo sem fins lucrativos, para obter fundos privados. Em Novembro do mesmo ano, o Dr. Leslie H. Farber, um respeitado psiquiatra de Washington D.C., escreveu um artigo no Comentário intitulado “Lamento, Caro”, no qual atacava o “cientificismo” do sexo. Este ataque foi apenas o início das críticas que a investigação receberia.
Em 1966 Masters e Johnson publicaram Human Sexual Response. Neste livro, os investigadores utilizaram terminologia altamente técnica e tiveram a sua editora, Little, Brown and Co., a promover o livro apenas para profissionais médicos e revistas. No entanto, o livro tornou-se uma sensação popular e a equipa embarcou numa digressão de palestras e conferências, ganhando fama imediata. Já em 1959, Masters e Johnson tinham começado a aconselhar casais como uma equipa de dois sexos. Acreditando que os parceiros ficariam mais à vontade a falar com um terapeuta do mesmo sexo, a equipa começou a trabalhar com os problemas sexuais dos casais. No seu segundo livro, Human Sexual Inadequacy (1970), discutem problemas como a impotência.
Masters divorciaram-se da sua primeira esposa, Elisabeth Ellis, pouco depois da publicação da Human Sexual Inadequacy e casaram com Johnson a 1 de Janeiro de 1971, em Fayetteville, Arkansas. Em 1973, tornaram-se co-directores do Master e Johnson Institute. Em 1979, Masters e Johnson estudaram e descreveram as respostas sexuais de homossexuais e lésbicas em Homossexualidade em Perspectiva. Também afirmaram ser capazes de mudar as preferências sexuais dos homossexuais que o desejavam. Os mestres também mantiveram um laboratório de bioquímica e continuaram a receber honorários de uma clínica de ginecologia. Reformou-se da prática em 1975 com a idade de sessenta anos. Em 1981, Masters e Johnson venderam o seu laboratório e mudaram-se para outro local em St. Louis. Nesta altura tinham uma equipa de vinte e cinco pessoas e uma longa lista de clientes de terapia.
Outra controvérsia sobre o seu trabalho desenvolvida quando em 1988 Masters e Johnson escreveram um livro com um associado, o Dr. Robert Kolodny. O livro, Crisis: Heterosexual Behavior in the Age of AIDS previu uma epidemia de SIDA entre a população heterossexual. Alguns membros da comunidade médica condenaram severamente o estudo, e C. Everett Koop, então cirurgião-geral dos Estados Unidos, chamou Masters e Johnson de irresponsáveis. Talvez como resultado da publicidade negativa, o número de clientes que procuram terapia sexual no instituto tenha diminuído. No início de 1992, Bill Walters, director interino do instituto, anunciou que Masters e Johnson se estavam a divorciar após vinte e um anos de conflito matrimonial nas suas ideias sobre a reforma foi citado como a razão para a separação. Masters jurou que nunca se reformaria e continuou a falar e a dar palestras no instituto, para além de trabalhar noutro livro. O divórcio terminou o seu trabalho conjunto na clínica.
Pelos seus esforços pioneiros em fazer da sexualidade humana um tema de estudo científico, os mestres receberam o Prémio Paul H. Hoch da Associação Psicopática Americana em 1971, o prémio Sex Information and Education Council of the United States (SIECUS) em 1972, e três outros prémios de prestígio. Pertence à Associação Americana para o Progresso da Ciência (AAAS), à Sociedade Americana de Fertilidade, e a várias outras associações médicas.