1934년 미국 뉴욕 브루클린에서 우크라이나 이민 노동자의 아들로 태어났다. 시카고 대학교에서 인문학 학사, 물리학 석사, 천문학 및 천체 물리학 박사 학위를 받았다. 스탠퍼드 대학교 의과 대학에서 유전학 조교수, 하버드 대학교 천문학 조교수를 지냈다.

그 후 코넬 대학교의 행성 연구소 소장, 데이비드 던컨 천문학 및 우주 과학 교수, 캘리포니아 공과 대학의 특별 초빙 연구원, 세계 최대 우주 동호 단체인 행성 협회의 공동 설립자 겸 회장 등을 역임했다. 또한 미국 항공 우주국(NASA)의 자문 위원으로 매리너, 보이저, 바이킹, 갈릴레오 호 등의 무인 우주 탐사 계획에 참여했고 과학의 대중화에도 많은 노력을 기울여 저술과 방송을 통해 세계적인 지성으로 주목받았다.

행성 탐사의 난제들을 해결한 공로와 핵전쟁의 영향에 대한 연구와 핵무기 감축에 기여한 공로를 인정받아 NASA 공공 복지 훈장, NASA 아폴로 공로상, 미국 우주 항공 협회의 존 에프 케네디 우주 항공상, 탐험가 협회 75주년 기념상, 소련 우주 항공 연맹의 콘스탄틴 치올콥스키 훈장, 미국 천문학회의 마수르스키 상 그리고 1994년에는 미국 국립 과학원의 최고상인 공공 복지 훈장 등을 받았다.

그 외에도 과학, 문학, 교육, 환경 보호에 대한 공로로 미국 각지의 대학으로부터 명예 학위를 스물두 차례 받았다.
그의 저서 『코스모스(Cosmos)』(1980년)는 전 세계 출판계에서 최고의 베스트셀러로 평가받았고, 30여 권의 저서 중 『에덴의 용(The Dragons of Eden)』(1978년)은 퓰리처상을 수상했다. 외계 생물과의 교신을 다룬 소설 『콘택트(Contact)』(1985년)는 1997년에 영화로 상영되어 전 세계에 감동을 선사했다.

이 외에도 『우주의 지적 생명(Intelligent Life in the Universe)』(공저, 1966년), 『UFO, 과학적 논쟁(UFO’s: A Scientific Debate)』(공저, 1972년), 『코스믹 커넥션(The Cosmic Connection)』(1973년), 『화성과 인간의 마음(Mars and the Mind of Man)』(공저, 1973년), 『브로카의 뇌(Broca’s Brain)』(1974년), 『다른 세계들(Other Worlds)』(공저, 1975년), 『지구의 속삭임(Murmurs of Earth)』(공저, 1978년), 『혜성(Comet)』(공저, 1985년), 『아무도 생각하지 않은 길(A Path Where No Man Thought)』(공저, 1990년), 『창백한 푸른 점(Pale Blue Dot)』(1994년), 『악령이 출몰하는 세상(The Demon Haunted World)』(공저, 1995년), 『에필로그(Billions & Billions)』(1997년, 사후 출간), 『과학적 경험의 다양성(The Varieties of Scientific Experience)』(2006년, 사후 출간) 등을 썼다.

평생 우주에 대한 꿈과 희망을 일구었던 그는 1996년 12월 20일에 골수 이형성 증후군으로 시작된 백혈병으로 세상을 떠났다.