El 1960 obtingué un màster per la Universitat de Wisconsin-Madison i es doctorà l’any 1963 per la Universitat de Califòrnia Berkeley. Casada amb l’astrofísic Carl Sagan (1957), desenvolupà la seva tasca docent i de recerca a la Universitat de Boston (1966) i al Massachusetts Institute of Technology des del 1988. Fou també professora invitada en diverses universitats dels EUA i a l’estranger.
Popularitzà la divisió primària dels éssers vius en cinc regnes (moners, protoctists, animals, plantes i fongs), d’acord amb les concepcions de Robert H. Whittaker. A partir de l’estudi de bacteris i protoctists desenvolupà la teoria endosimbiòtica de l’origen de la cèl·lula eucariòtica, que exposà per primer cop el 1966 en l’article The Origin of Mitosing Eukaryotic Cells. D’acord amb aquesta teoria, les diferents parts de la cèl·lula tindrien el seu origen en cèl·lules bacterianes que haurien establert entre ells relacions de simbiosi, primer ocasionals i finalment permanents, i haurien evolucionat conjuntament.
Després d’anys de controvèrsies, la teoria ha esdevingut àmpliament acceptada pel que fa a alguns orgànuls cel·lulars com mitocondris (descendents de bacteris aeròbics) i plastidis (descendents de cianobacteris), però és més discutida per a altres components de la cèl·lula. Col·laborà amb James Lovelock en el desenvolupament dels aspectes microbiològics de la hipòtesi Gaia i, en particular, del paper dels bacteris en les etapes inicials de l’evolució del planeta i en la regulació dels cicles biogeoquímics.
Autora d’un gran nombre d’articles i llibres, cal destacar-ne Origin of Eukaryotic Cells (1970), Early Life (1982) i, en col·laboració amb el seu fill Dorion Sagan, Microcosmos: Four Billion Years of Evolution from our Microbial Ancestors (1986), Origins of Sex: Three Billion Years of Genetic Recombination (1986), Mystery Dance: On the Evolution of Human Sexuality (1991), What is Life?(1995), What is Sex? (1997), Acquiring Genomes: A Theory of the Origins of Species (2002).
Cal esmentar també Symbiosis in Cell Evolution: Microbial Communities in the Archean and Proterozoic Eons (1992) i Five Kingdoms: An iIlustrated Guide to the Phyla of Life on Earth (1998, amb K. V. Schwartz). Col·laborà en el primer volum de l’obra col·lectiva Biosfera (1991-98), dirigida per Ramon Folch i Guillèn.
Fou membre de la National Academy of Sciences (1983) i de diverses institucions científiques, tant dels EUA com d’altres països. L’any 2007 rebé el doctorat honoris causa per la Universitat Autònoma de Barcelona. Entre les distincions que li foren concedides cal esmentar la Medalla Nacional de les Ciències dels EUA (1999) i la Medalla Darwin-Wallace (2008), atorgada per la Linnean Society de Londres a tretze biòlegs cada cinquanta anys.