Cosmos consta de 13 capítulos profusamente ilustrados, que se corresponden con los 13 episodios de la serie de televisión Cosmos. En el libro, Sagan explora 15 000 millones de años de evolución cósmica y el desarrollo de la ciencia y la civilización. Cosmos rastrea los orígenes del conocimiento y del método científico, mezcla ciencia y filosofía, y especula sobre el futuro de la ciencia. El libro también analiza los fundamentos de la ciencia a través de anécdotas biográficas de muchos científicos destacados de la historia, situando sus aportaciones en el contexto más amplio del desarrollo de la ciencia moderna.
El libro abarca una amplia gama de temas e incluye las reflexiones de Sagan sobre cuestiones antropológicas, cosmológicas, biológicas, históricas y astronómicas, desde la antigüedad hasta la época contemporánea. Sagan reitera su postura sobre la vida extraterrestre: la magnitud del universo permite la existencia de miles de civilizaciones alienígenas, pero no hay pruebas creíbles de que esa vida haya visitado nunca la Tierra.