Cosmos umfasst 13 reich bebilderte Kapitel, die den 13 Folgen der Fernsehserie Cosmos entsprechen. In dem Buch untersucht Sagan 15 Milliarden Jahre kosmischer Evolution sowie die Entwicklung von Wissenschaft und Zivilisation. Cosmos zeichnet die Ursprünge des Wissens und der wissenschaftlichen Methode nach, verbindet Wissenschaft und Philosophie und stellt Spekulationen über die Zukunft der Wissenschaft an. Das Buch erörtert zudem die grundlegenden Prämissen der Wissenschaft, indem es biografische Anekdoten über zahlreiche bedeutende Wissenschaftler aus der gesamten Geschichte erzählt und ihre Beiträge in den größeren Zusammenhang der Entwicklung der modernen Wissenschaft einordnet.
Das Buch deckt ein breites Themenspektrum ab und umfasst Sagans Überlegungen zu anthropologischen, kosmologischen, biologischen, historischen und astronomischen Fragen von der Antike bis zur Gegenwart. Sagan bekräftigt seine Haltung zum außerirdischen Leben: Die Größe des Universums lasse die Existenz Tausender außerirdischer Zivilisationen zu, doch es gebe keinen glaubwürdigen Beleg dafür, dass solches Leben die Erde jemals besucht habe.