Chicago Üniversitesi’nden 1960’ta doktora derecesi aldı. 1962-1963 yıllarında Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde genetik asistanı, 1963-1968 arasında Harvard Üniversitesi’nde astronomi asistanı olarak çalıştı. 1968’de doçent olarak Cornell Üniversitesi’ne geçti.
1970’te aynı üniversitede astronomi ve uzay bilimleri profesörlüğüne, 1975’te bu üniversiteye bağlı Radyofizik ve Uzay Araştırmaları Merkezi’nin ikinci başkanlığına getirildi. Ayrıca, 1959′ dan beri NASA’da (Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi) çeşitli danışma gruplarının üyesi, 1962, 1972 ve 1976’da gezegenler arası yolculuk projelerinin araştırmacılarından biri ve 1968’den beri uluslararası astronomi dergisi Ucarus’un yayın yönetmeni olan Sağan, çeşitli uluslararası astronomi ve evrim araştırmaları derneklerinin üyesi ya da başkanıdır.
Başarılı çalışmaları nedeniyle kendisine 1972 ve 1977’de NASA madalyası, 1975’te Joseph Priestley, 1977’de de Pulitzer Ödülü verildi. Araştırmalarının çoğu, gezegenlerin yüzey yapıları ve atmosfer bileşimleri üzerinde oldu. 1966’da Mars’ın yüzeyindeki düzey farklılıklarını ve yükseltilerini inceleyerek, gezegenin yüzeyindeki sıradağa benzer oluşumların yaklaşık 10 km yükseltide olabileceğini saptadı. Özellikle yeryüzünde yaşamın başlangıcına ve Güneş sisteminin öbür gezegenlerinde yaşam olup olmadığı sorusuna yanıt arayan çalışmalarıyla tanındı.