Carl Sagan đã thực hiện một số khám phá quan trọng về sao Kim và sao Hỏa, nhưng khám phá đưa ông trở nên nổi tiếng là bằng chứng cho thấy bầu khí quyển của sao Kim đã hút nhiệt từ hiệu ứng nhà kính. Điều này đề cập đến bầu khí quyển -quay mũ giúp tăng nhiệt độ bề mặt của hành tinh.
Mặc dù Sagan đã mắc một lỗi nhỏ trong khám phá của mình khi cho rằng một số hiệu ứng nhà kính trên Sao Kim là hơi nước khi bầu khí quyển hầu như không chứa, nhưng khám phá của Sagan là một thành phần chính của nghiên cứu giúp các nhà khoa học tìm ra lý do tại sao nhiệt độ của Trái đất đang leo lên.
Một đóng góp khác của Sagan cho thiên văn học là lời giải thích của ông về các màu sắc khác nhau trên bề mặt Sao Hỏa. Một số nhà khoa học đã suy đoán rằng thảm thực vật là nguyên nhân, nhưng ông cho rằng bụi chuyển động trong các cơn bão gió đã gây ra những thay đổi. Khi tàu vũ trụ Mariner đến thăm sao Hỏa vào những năm 1970, lý thuyết của Sagan đã được xác nhận.
Nhờ những khám phá của mình, Sagan trở thành nhân vật trung tâm trong các sứ mệnh của những năm 1970 mà NASA thành lập để khám phá các hành tinh bằng robot. Nhóm của anh ấy đã chỉ đạo sứ mệnh chụp ảnh của Mariner 9 lên bề mặt sao Hỏa, mang lại hơn 7.000 hình ảnh và anh ấy đã giúp chọn điểm hạ cánh cho các nhiệm vụ Viking 1 và 2, nhiệm vụ đầu tiên thực hiện thành công cuộc đổ bộ lên sao Hỏa.
