Cosmos comporte 13 chapitres abondamment illustrés, correspondant aux 13 épisodes de la série télévisée Cosmos. Dans ce livre, Sagan explore 15 milliards d'années d'évolution cosmique ainsi que le développement de la science et de la civilisation. Cosmos retrace les origines de la connaissance et de la méthode scientifique, mêle science et philosophie, et formule des hypothèses sur l'avenir de la science. L'ouvrage aborde également les prémisses fondamentales de la science en proposant des anecdotes biographiques sur de nombreux scientifiques éminents à travers l'histoire, et replace leurs contributions dans le contexte plus large du développement de la science moderne.
Le livre couvre un large éventail de sujets et rassemble les réflexions de Sagan sur des questions anthropologiques, cosmologiques, biologiques, historiques et astronomiques, de l'Antiquité à l'époque contemporaine. Sagan réaffirme sa position sur la vie extraterrestre : l'immensité de l'univers permet l'existence de milliers de civilisations extraterrestres, mais aucune preuve crédible ne démontre qu'une telle forme de vie ait jamais visité la Terre.