1966年马斯特斯和约翰逊夫妇发表了为期10年的研究结果。这些研究详细地记录了不同年龄的已婚和未婚男女性生活中的解剖生理反应。他们把性反应周期分为4个期：兴奋期、平台期、高潮期和消退期。各期的解剖生理反应如图所示。
兴奋期
性反应周期的第一期即兴奋期。从性欲未被唤起阶段进入性欲被唤起，身体开始呈现紧张，精神兴奋。这期的特点是男人的阴茎勃起，女人的阴道润滑。性唤起是由于视觉、听觉和触觉所感知的异性性感区所引起的性冲动，并产生性欲望。这些性刺激对男女都一样，都能产生性冲动和性欲望。但是，不同的人，
从非性唤起状态到进入性兴奋期所需的时间变化很大，就是同一个人，每次进入兴奋期所需要的时间也不一定相同。一般来说，男子达到性兴奋期较快、较强烈而且急于性交，而女性进入性兴奋期所需要的时间则较长，女性对情爱更重于性爱，只有女性在充分性唤起时才容易达到性高潮。
在性兴奋期，男子的阴茎勃起，睾丸充血，阴囊皮肤变厚变硬；女子的阴蒂充血肿胀，大阴唇分开，小阴唇肿胀，颜色加深，阴道分泌物增多，阴道润滑，阴道口远端的2／3段扩张。子宫竖起，乳房增大，乳头竖起。
在性兴奋期，男女双方的腿、胳膊、手、颈、下腹部的肌肉较紧张，骨盆区和会阴部的肌肉还会出现不自主的收缩甚至痉挛。血压升高，心跳加快，呼吸加深、加快，皮肤温度升高，瞳孔扩大。
平台期
如果性刺激持续下去就会进入第二期即平台期，又叫持续期。这期是在性兴奋期的基础上进一步性兴奋和性紧张，并持续进入高水平。生殖器充血更加明显，阴茎进一步增大且更坚挺，阴茎头颜色加深，阴茎体血管突现；睾丸进一步充血，体积进一步增大，睾丸上提靠近身体；尿道口出现分泌物，这些分泌物是来自尿道球腺，起润滑作用，有利于阴茎插入阴道，分泌物中一般不含精子，但有时也会有精子的存在，造成怀孕；有早泄的人，容易在此时或阴茎一插入阴道就射精。
在平台期，女性的阴蒂进一步增大挺起，但缩入阴蒂包皮，因此不易触及。小阴唇进一步充血肿大，呈深紫红色。阴道口远端的2／3段因子宫竖起而进一步扩张。
阴道口的近1／3段明显充血肿胀，呈环状缩窄，使插入的阴茎有一种“紧握”感，这段阴道，含有丰富的神经末梢，能够得到充分的刺激，因此，阴茎的大小和长短对女性来说并不十分重要，
因为这一段阴道能得到充分的刺激。女性的乳房进一步增大，乳晕肿胀扩大，使竖起的乳头看起来像竖起得没有那么突出。男女的肌肉紧张进一步加强，呼吸加深、加快。男女都非常激动，接着便进入第三期即性高潮期。