Sagan se crió en el seno de una familia de ascendencia judía y creencias diversas, la mejor catalogada es la católico-ortodoxa,3 en Brooklyn, Ciudad de Nueva York. Su padre, Sam Sagan, fue un trabajador de la industria del vestido. Su madre, Rachel Molly Gruber, fue un ama de casa. Carl recibió su nombre en honor a su abuela, Chaiya Clara, "la madre que nunca conoció", en palabras del propio Sagan. Sagan se graduó en la Rahway High School en New Jersey en 1951. Estudió en la Universidad de Chicago, en la que se graduó como Licenciado en Artes con honores generales y especiales (1954) y como Licenciado en Ciencias(1955), y donde obtuvo una Maestría en Física (1956), antes de acceder al Doctorado en Filosofía Ph.D. (1960) en astronomía y astrofísica. Sagan se consideraba agnóstico.
También era un conocido escéptico con un fuerte posicionamiento en contra de las pseudociencias y las religiones en general.

Se doctoró en 1960 en la Universidad de Chicago trabajando con el famoso astrónomo Gerard Kuiper. A partir de las observaciones en microondas, que mostraban que la atmósfera de Venus era extremadamente caliente y densa, Sagan propuso el efecto invernadero provocado por el dióxido de carbono como la causa de estas elevadas temperaturas. Esto le llevó a alertar de los peligros del cambio climático producidos por la actividad industrial del hombre. Sagan también es conocido como uno de los coautores del artículo científico en el que se advertía de los peligros del invierno nuclear, un estudio basado en sus trabajos sobre la atmósfera marciana y venusiana14 de los posibles cambios climáticos marcianos y venusianos producidos por tormentas de arena en Marte y la terrible presión atmósferica en Venus.
El Dr. Sagan colaboró en el diseño de la misión Mariner 2 a Venus, y de las misiones Mariner 9, Viking 1 y Viking 2 a Marte. También trabajó en la misión Voyager 1 y Voyager 2, y junto a Ann Druyan y otros destacados científicos, contribuyó tanto al diseño de los dos bajorrelieves de los discos de oro que éstas naves llevan acoplados en uno de sus costados; hacia el exterior del sistema solar y en la misión Galileo a Júpiter. También envió a estudiar Júpiter y Saturno la sonda Pioneer 10 para poder comprobar las radiaciones magnéticas emitidos por éstos planetas. Cuando en 1973 la NASA decidió enviar una señal al espacio desde Arecibo con cierta clase fundamental para posibles receptores extraterrestes, también asesoró en los datos que la señal debería contener. Por último cabe destacar, que fue asesor científico en la película 2001: Una Odisea del espacio, del famoso Arthur C. Clarke y dirigida por Stanley Kubrick.

Sagan fue uno de los primeros científicos en proponer la hipótesis de que Europa, uno de los satélites de Júpiter, y Titan, el satélite más grande de Saturno, podrían contener un océano, en el caso de Europa bajo su gran capa de hielo, y en el caso de Titan superficial, sugiriendo la posibilidad de un posible entorno habitable. En el caso del satélite Europa, su océano fue más tarde confirmado indirectamente por los resultados de la misión espacial Galileo.
También concibió la idea de enviar un mensaje inalterable al espacio más allá del Sistema Solar que pudiera ser entendido por una posible civilización extraterrestre que lo interceptara en un futuro. El primer mensaje así enviado fue una placa de oro en la sonda Pioneer,2 posteriormente un disco de oro en las sondas Voyager y el mensaje de Arecibo.
En total fue coautor de unos 200 trabajos científicos de investigación en ciencias planetarias y sobre la búsqueda de vida extraterrestre.

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