Cosmos è composto da 13 capitoli riccamente illustrati, che corrispondono ai 13 episodi della serie televisiva Cosmos. Nel libro Sagan esplora 15 miliardi di anni di evoluzione cosmica e lo sviluppo della scienza e della civiltà. Cosmos ripercorre le origini della conoscenza e del metodo scientifico, unendo scienza e filosofia, e avanza ipotesi sul futuro della scienza. Il libro discute anche i presupposti di fondo della scienza, raccontando aneddoti biografici su molti scienziati di rilievo nel corso della storia e collocando i loro contributi nel più ampio contesto dello sviluppo della scienza moderna.
Il libro tratta un'ampia gamma di temi e raccoglie le riflessioni di Sagan su questioni antropologiche, cosmologiche, biologiche, storiche e astronomiche, dall'antichità ai giorni nostri. Sagan ribadisce la sua posizione sulla vita extraterrestre: le dimensioni dell'universo consentono l'esistenza di migliaia di civiltà aliene, ma non esistono prove attendibili che dimostrino che tale vita abbia mai visitato la Terra.