Sagan menghadiri Universiti Chicago, yang merupakan salah satu daripada beberapa kolej yang dipohonnya yang akan dianggap mengaku berusia enam belas tahun, walaupun gred sekolah tinggi yang cemerlang. Canselornya, Robert Hutchins, menubuhkan sekolah sebagai "meritokrasi yang ideal," tanpa syarat usia.[9] Sekolah ini juga menggunakan beberapa saintis utama negara, termasuk Enrico Fermi dan Edward Teller, bersama dengan operasi Balai Cerap Yerkes yang terkenal.[9]

Semasa tempoh beliau sebagai sarjana program, Sagan bekerja di makmal ahli genetik H. J. Muller dan menulis tesis tentang asal usul kehidupan bersama ahli kimia fizikal Harold Urey. Sagan menyertai Persatuan Astronomi Ryerson,[10] menerima ijazah B.A. dalam mengisytiharkan "tiada apa" dengan kepujian umum dan khas pada tahun 1954, dan B.S. ijazah dalam bidang fizik pada tahun 1955. Beliau terus mendapatkan ijazah A.S. dalam bidang fizik pada tahun 1956, sebelum mendapat ijazah Ph.D. pada tahun 1960 dengan disertasi "Kajian Fizikal Planet" diserahkan kepada Jabatan Astronomi dan Astrofizik.[11][12][13][14]

Beliau menggunakan bulan-bulan musim panas dalam kajian lepasannya untuk bekerja dengan pengarah disertasinya, saintis planet Gerard Kuiper, serta ahli fizik George Gamow, dan ahli kimia Melvin Calvin. Judul disertasi Sagan mencerminkan kepentingan bersama dengan Kuiper, yang sepanjang tahun 1950-an telah menjadi presiden suruhanjaya Kesatuan Astronomi Antarabangsa mengenai "Pengajian Fizikal dan Satelit".[15] Pada tahun 1958, kedua-dua mereka bekerja di projek ketenteraan dikelaskan A119, rancangan Angkatan Udara rahsia untuk meletupkan kepala nuklear pada Bulan.[16]

Sagan mempunyai pelepasan "Rahsia Teratas" di Tentera Udara A.S. dan pelepasan "Rahsia" dengan NASA.[17] Semasa mengerjakan disertasi kedoktorannya, Sagan mendedahkan gelaran Kerajaan AS dari dua kertas Projek A119 apabila beliau memohon untuk biasiswa Universiti California, Berkeley pada tahun 1959. Kebocoran itu tidak diturunkan secara terbuka sehingga tahun 1999, apabila ia diterbitkan dalam jurnal "Nature". Surat ikhtisar jurnal oleh pemimpin projek Leonard Reiffel mengesahkan kebocoran keselamatan Sagan.[18]