Bekas pelajar David Morrison menyifatkan Sagan sebagai "satu 'idea orang' dan sarjana hujah fizikal intuitif dan pengiraan 'belakang sampul surat'," dan Gerard Kuiper berkata bahawa "Sesetengah orang bekerja paling baik dalam program utama di makmal, yang lain adalah penghubung antara sains. Dr. Sagan tergolong dalam kumpulan yang kedua."[17]

Sumbangan Sagan ialah pusat kepada penemuan suhu permukaan tinggi planet Zuhrah.[1][25] Pada awal 1960-an, tiada siapa yang mengetahui dengan pasti syarat-syarat asas permukaan Zuhrah, dan Sagan menyenaraikan kemungkinan dalam laporan yang kemudiannya digambarkan untuk mempopularkan dalam buku Time–Life, Planets. Pandangannya sendiri adalah bahawa Zuhrah kering dan sangat panas berbanding dengan syurgawi yang mengasyikkan orang lain telah membayangkan. Beliau telah menyiasat pelepasan radio dari Zuhrah dan membuat kesimpulan bahawa terdapat suhu permukaan 500°C (900°F). Oleh itu ahli sains yang melawat Makmal Pendorongan Jet NASA, beliau menyumbang kepada misi Mariner pertama ke Zuhrah, yang mengendalikan reka bentuk dan pengurusan projek itu. Mariner 2 mengesahkan kesimpulannya mengenai keadaan permukaan Zuhrah pada tahun 1962.

Sagan adalah antara yang pertama yang membuat hipotesis bahawa Titan bulan Zuhal mungkin mempunyai lautan sebatian cecair di permukaannya dan bahawa bulan Musytari Europa mungkin mempunyai lautan bawah permukaan air. Ini akan menjadikan Europa berpotensi dihuni.[26] Lautan air bawah tanah Europa kemudiannya secara tidak langsung disahkan oleh kapal angkasa Galileo. Misteri jerebu kemerah-merahan Titan juga diselesaikan dengan bantuan Sagan. Jerebu kemerahan telah diturunkan disebabkan oleh molekul organik yang kompleks yang sentiasa turun ke permukaan Titan.[27]

Beliau turut menyumbang pandangan mengenai atmosfera Zuhrah dan Musytari serta perubahan bermusim di Marikh. Beliau juga melihat pemanasan global bahaya buatan manusia berkembang dan menyamakannya dengan pembangunan semula jadi Zuhrah menjadi panas, planet hidup bermusuhan panas melalui sejenis kesan rumah hijau berlari.[28] Sagan dan rakan sejawat Cornell, Edwin Ernest Salpeter membuat spekulasi tentang kehidupan di awan Musytari, memandangkan komposisi atmosfera yang padat planet kaya dengan molekul organik. Beliau mengkaji kepelbagaian warna yang diperhatikan di permukaan Marikh dan menyimpulkan bahawa ia bukan perubahan bermusim atau vegetarian seperti yang paling dipercayai tetapi beralih kepada habuk permukaan yang disebabkan oleh badai angin.

Namun, Sagan terkenal, untuk penyelidikannya mengenai kemungkinan kehidupan luar angkasa, termasuk demonstrasi eksperimen pembuatan asid amino dari bahan kimia asas dengan sinaran.[29][30]

Beliau juga penerima Pingat Kebajikan Awam 1994, iaitu penganugerahan tertinggi Akademi Sains Kebangsaan Amerika Syarikat untuk "sumbangan cemerlang dalam penerapan sains kepada kebajikan awam".[31] Beliau telah menafikan keahlian di Akademi, dilaporkan kerana aktiviti media menjadikan beliau menjadi tidak popular dengan ramai saintis lain.[32][33][34]

Setakat 2017, Sagan adalah ahli sains SETI yang paling digemari dan salah seorang ahli sains planet yang paling terkenal.[35]