Inicialmente fue profesor asociado de la Universidad de Harvard y posteriormente profesor principal de la Universidad de Cornell. En esta última, fue el primer científico en ocupar la Cátedra David Duncan de Astronomía y Ciencias del Espacio, creada en 1976, y además director del Laboratorio de Estudios Planetarios.

Fue un defensor del pensamiento escéptico científico y del método científico, pionero de la exobiología, promotor de la búsqueda de inteligencia extraterrestre a través del proyecto SETI. Impulsó el envío de mensajes a bordo de sondas espaciales, destinados a informar a posibles civilizaciones extraterrestres acerca de la cultura humana. Mediante sus observaciones de la atmósfera de Venus, fue de los primeros científicos en estudiar el efecto invernadero a escala planetaria.

Carl Sagan ganó gran popularidad gracias a la galardonada serie documental de TV Cosmos: Un viaje personal, producida en 1980, de la que fue narrador y coautor. También publicó numerosos artículos científicos,1​ y fue autor, coautor o editor de más de una veintena de libros de divulgación científica, siendo los más populares sus libros Cosmos, publicados como complemento de la serie, y Contacto, en el que se basa la película homónima de 1997. En 1978 ganó el Premio Pulitzer de Literatura General de No Ficción por su libro Los dragones del Edén.

A lo largo de su vida, Sagan recibió numerosos premios y condecoraciones por su labor como comunicador de la ciencia y la cultura. Hoy es considerado uno de los divulgadores de la ciencia más carismáticos e influyentes, gracias a su capacidad de transmitir las ideas científicas y los aspectos culturales al público no especializado con sencillez no exenta de rigor.