Родился в Бруклине (Нью-Йорк) в еврейской семье. Его родители были выходцами из Восточной Европы. В 1951 году Саган поступил в Чикагский университет,  где через 4 года получил степень бакалавра. В 1956 году стал магистром в области физики. В 1960 году защитил докторскую диссертацию по астрономии и астрофизике. В 1960—1962 годах был ассистентом в Йеркской обсерватории Чикагского университета, в Калифорнийском университете, в Беркли и Стэнфордском университете. Работал в качестве приглашённого учёного в Лаборатории реактивного движения (JPL) Калифорнийского технологического института и внёс свой вклад в дизайн и организацию первой миссии к Венере из серии «Маринер».  Венера-4 в 1967 году подтвердила его предположения об условиях на поверхностиэтой планеты. 1962—1968 годах Карл Саган преподавал астрономию в Гарвардском университете. В 1971 году он становится профессором астрономии и космических исследований Корнельского университета, а также директором лаборатории по изучению планет. Внёс свой вклад практически в каждую автоматическую космическую миссию, которая исследовала Солнечную систему. Первым предложил идею посылать со всеми космическими зондами, которые покидают Солнечную систему, послание к внеземным цивилизациям. Первое послание, которое было отправлено в космос, представляло собой пластину анодированного алюминия, прикреплённую к космическому зонду Пионер-10. Самым детальным посланием, в разработке которого он принимал участие, была золотая пластинка, отправившаяся в космос на космическом зонде «Вояджер». Саган также внес значимый вклад в изучение атмосферы Венеры, сезонных изменений на Марсе и спутнике Сатурна Титане. Он установил, что атмосфера Венеры очень горячая и плотная. Он также утверждал, что глобальное потепление является искусственной опасностью, созданной человеком, и провёл параллель между этим явлением и естественными превращением Венеры посредством парниковых газов в жаркую, непригодную для жизни планету. Выдвинул гипотезу, что сезонные изменения на Марсе происходят в результате пылевых бурь, а не процессов, связанных с растительностью, как предполагалось ранее. 
Политическая активность Сагана была умеренно левого направления. Он участвовал в акциях гражданского неповиновения на объектах, связанных с разработкой ядерного оружия и однажды за участие в протестах даже был арестован. Открыто выступал против Стратегической оборонной инициативы президента США Рональда Рейгана, также известной под именем «Звёздные войны», считая эту программу слишком дорогой, технически невозможной и малоэффективной. Карл Саган был заядлым курильщиком марихуаны, хотя никогда публично не признавал это. 
Известный астроном был активным популяризатором науки. В 1977—1978 годах он выступил с рождественской лекцией в Королевском обществе и был автором 13-серийного телевизионного сериала «Космос: персональное путешествие», в котором он снялся в качестве рассказчика. Написал множество научно-популярных книг, имел серьёзные научные труды, принятые учёными неоднозначно. Первой самостоятельной книгой Сагана стала "Космическая связь", посвященная перспективам внеземной деятельности человечества. Небольшая книга "Драконы Эдема. Рассуждения об эволюции человеческого мозга" (1977) получила Пулитцеровскую премию. Всего он создал более 600 научных и популярных статей, а также был автором, соавтором или редактором более 20 книг. 
 Саган умер в Центре исследований в области онкологии им. Фреда Хатчисона в Сиэтле от воспаления лёгких, вызванного заболеванием костного мозга. Основанный на романе Сагана фильм «Контакт», был закончен уже после его смерти. В честь учёного была учреждена медаль, которой награждаются астрономы, отличившиеся на ниве науки.                      >>>
Учёный имел около 30 наград и престижных премий. Кроме того, назван 99-м «Великим американцем» 5 июня 2005 г. на шоу, показанном по каналу Discovery. Государство Палау выпустило почтовый блок, в котором одна марка посвящена Карлу Сагану (последняя марка во втором ряду снизу).