Director del laboratori d’atmosferes planetàries. Fou professor en diverses universitats, entre les quals la de Cornell. Conegut pels seus treballs sobre atmosferes i superfícies planetàries, formulà la hipòtesi de l’existència de l’efecte hivernacle en l’atmosfera de Venus (1960); formà part dels equips de treball de les missions Mariner 9 i Viking 1 i 2 a Mart i Voyager 1 i 2 a Júpiter i Saturn. De 1968 a 1979 estigué al capdavant de la revista Icarus , portaveu internacional dels estudis planetaris. Treballà també en l' exobiologia . A més de molts articles científics és autor o coautor de més d’una dotzena de llibres de divulgació, entre els quals destaquen: Intelligent Life in the Universe (1966), The Cosmic Connection (1973), The Dragons of Eden (1977), premi Pulitzer 1978, Murmurs of Earth (1978), Broca's Brain (1979), Comet (1986) i A Path Where no Man Tought (1990). Féu programes de divulgació científica per a la televisió, com la sèrie Cosmos , que fou un èxit a tot el món. La seva darrera obra fou El món i els seus dimonis. La ciència com una llum en les tenebres , publicada l’any de la seva mort.