Em 1960, obteve o título de doutor pela Universidade de Chicago. Dedicou-se à pesquisa e à divulgação da astronomia, como também ao estudo da chamada exobiologia. Morreu aos 62 anos, de cancro, no Centro de Pesquisas do Câncer Fred Hutchinson, depois de uma batalha de dois anos com uma rara e grave doença na medula óssea (mielodisplasia).
Com sua formação multidisciplinar, Sagan foi o autor de obras como Cosmos (que foi transformada em uma premiada série de televisão), Os Dragões do Éden (pelo qual recebeu o prémio Pulitzer de Literatura), O Romance da Ciência, Pálido Ponto Azul e Um Mundo Infestado de Demónios.
Escreveu ainda o romance de ficção científica Contato, que foi levado para as telas de cinema, posteriormente a sua morte. Sua última obra, Biliões e Biliões, foi publicada postumamente por sua esposa e colaboradora Ann Druyan e consiste, fundamentalmente, numa compilação de artigos inéditos escritos por Sagan, tendo um capítulo sido escrito por ele enquanto se encontrava no hospital. Recentemente foi publicado no Brasil mais um livro sobre Sagan, Variedades da experiência científica: Uma visão pessoal da busca por Deus, que é uma coletânea de suas palestras sobre teologia natural.
Isaac Asimov descreveu Sagan como uma das duas pessoas que ele encontrou cujo intelecto ultrapassava o dele próprio. O outro, disse ele, foi o cientista de computadores e perito em inteligência artificial Marvin Minsky.
Foi professor de astronomia e ciências espaciais na Cornell University e professor visitante no Laboratório de Propulsão a Jato do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Criou a Sociedade Planetária e promoveu o SETI.
Carl Sagan teve um papel significativo no programa espacial americano desde o seu início. Foi consultor e conselheiro da NASA desde os anos 1950, trabalhou com os astronautas do Projeto Apollo antes de suas idas à Lua, e chefiou os projetos da Mariner e Viking, pioneiras na exploração do sistema solar que permitiram obter importantes informações sobre Vénus e Marte. Participou também das missões Voyager e da sonda Galileu. Foi decisivo na explicação do efeito estufa em Vénus e o descobrimento das altas temperaturas do planeta, na explicação das mudanças sazonais da atmosfera de Marte e na descoberta das moléculas orgânicas em Titã, satélite de Saturno. Ele também foi um dos maiores divulgadores da ciência de todos os tempos ao apresentar a série Cosmos em 1980.
Recebeu diversos prémios e homenagens de diversos centros de pesquisas e entidades ligadas à astronomia, inclusive o maior prémio científico das Américas, o prémio da Academia Nacional de Ciências (no caso, o Public Welfare Medal). Recebeu também 22 títulos honoris causa de universidades americanas, medalhas da NASA por Excepcionais Feitos Científicos, por Feitos no Programa Apollo e duas vezes a Distinção por Serviços Públicos, o Prémio de Astronáutica John F. Kennedy da Sociedade Astronáutica Norte-Americana, o Prémio de Beneficência Pública por “distintas contribuições para o bem estar da humanidade”, a Medalha Tsiolkovsky da Federação Cosmonáutica Soviética, o Prémio Masursky da Sociedade Astronómica Norte-Americana, o prémio Pulitzer de literatura, em 1978, por seu livro Os Dragões do Éden e o prémio Emmy, por sua série Cosmos. Em sua homenagem, o asteróide 2709 Sagan tem o seu nome.
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