เซแกนให้ความสนใจกับการสำรวจพื้นผิวอุณหภูมิสูงของดาวศุกร์ ในช่วงต้นคริสต์ทศวรรษ 1960 ยังไม่มีใครทราบถึงสภาวะที่แท้จริงของพื้นผิวดาวดวงนั้น เซแกนได้จัดทำรายการความเป็นไปได้ในรายงานฉบับหนึ่ง ซึ่งภายหลังได้เผยแพร่ในหนังสือของ Time-Life ชื่อ Planets และมีชื่อเสียงมาก มุมมองของเซแกนคือ พื้นผิวดาวศุกร์แห้งผากอย่างยิ่งและร้อนมาก ตรงกันข้ามกับภาพของสรวงสวรรค์ที่เคยจินตนาการกันมาแต่ก่อน เขาได้ตรวจสอบการแผ่รังสีคลื่นวิทยุจากดาวศุกร์และสรุปว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดาวศุกร์สูงถึง 500 °C (900 °F) เมื่อครั้งที่เป็นนักวิทยาศาสตร์รับเชิญไปยังห้องทดลองการขับเคลื่อนด้วยไอพ่นของนาซ่า เขาได้ช่วยเหลือโครงการมาริเนอร์อันเป็นภารกิจสู่ดาวศุกร์ โดยทำหน้าที่ออกแบบยานและบริหารโครงการ ผลสำรวจจากยานมาริเนอร์ 2 ในปี ค.ศ. 1962 ช่วยยืนยันข้อสรุปของเซแกนเกี่ยวกับพื้นผิวของดาว

เซแกนเป็นนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรกๆ ที่ทำนายว่า ไททัน ดวงจันทร์ของดาวเสาร์น่าจะมีพื้นผิวห่อหุ้มด้วยมหาสมุทร และ ยูโรปา ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีน่าจะมีชั้นใต้พื้นผิวเต็มไปด้วยน้ำเช่นเดียวกัน ซึ่งทำให้ยูโรปาเป็นดาวที่มีความเป็นไปได้สำหรับอยู่อาศัย[6] ในเวลาต่อมา ยานอวกาศกาลิเลโอได้ยืนยันการมีอยู่ของชั้นผิวมหาสมุทรของยูโรปา เซแกนยังมีส่วนช่วยไขปัญหาความลึกลับของหมอกแดงที่เห็นอยู่บนไททัน เขาเห็นว่ามันคือโมเลกุลอินทรีย์อันซับซ้อนที่ตกลงเหมือนฝนสู่พื้นผิวของดวงจันทร์

เขายังให้ความสนใจอย่างต่อเนื่องกับชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์และดาวพฤหัสบดี รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของฤดูกาลบนดาวอังคาร เซแกนเป็นผู้ริเริ่มทฤษฎีว่าชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์นั้นร้อนจัดมาก และมีความหนาแน่นสูงมากโดยมีแรงดันเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อลงไปใกล้ถึงระดับพื้นผิว เขายังคาดการณ์ถึงสภาวะโลกร้อน อันเป็นอันตรายที่เพิ่มพูนขึ้นเรื่อยๆ จากฝีมือมนุษย์ โดยโยงปรากฏการณ์นี้เข้ากับการพัฒนาการของดาวศุกร์อันมีลักษณะคล้ายปรากฏการณ์เรือนกระจก ซึ่งกลายเป็นดาวเคราะห์ที่ร้อนและไม่สามารถอยู่อาศัยได้ เซแกนกับเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยคอร์เนล เอ็ดวิน เออร์เนสต์ ซัลปีเตอร์ ได้ทำนายถึงชีวิตที่มีอยู่ในกลุ่มเมฆของดาวพฤหัสบดี เนื่องจากชั้นบรรยากาศอันหนาแน่นของดาวนั้นอุดมไปด้วยโมเลกุลอินทรีย์ เซแกนเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงของสีของพื้นผิวดาวอังคาร และสรุปว่าไม่มีฤดูกาลหรือปรากฏการณ์ใดๆ อันเนื่องมาจากพืชพันธุ์ไม้บนดาวดวงนั้นดังที่คนส่วนใหญ่เชื่อกันในเวลานั้น เขาบอกว่าการเปลี่ยนแปลงของสีบนพื้นผิวเป็นผลจากฝุ่นผงที่ถูกพายุพัดเท่านั้น

ผลงานของเซแกนที่สร้างชื่อเสียงแก่เขามากที่สุด คืองานวิจัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของสิ่งมีชีวิตต่างดาว รวมถึงการทดลองสร้างกรดอมิโนขึ้นจากองค์ประกอบเคมีพื้นฐานโดยอาศัยรังสี[7]

ปี ค.ศ. 1994 เซแกนได้รับเหรียญรางวัล Public Welfare Medal ซึ่งเป็นรางวัลสูงสุดขององค์กรวิทยาศาสตร์แห่งชาติ สหรัฐอเมริกา (National Academy of Sciences) ในฐานะ "ผู้อุทิศตนในการประยุกต์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เพื่อประโยชน์สุขของมนุษยชาติ"[8]