Карл Саган родился в Бруклине (Нью-Йорк) в еврейской семье, исповедовавшей реформистский иудаизм. Отец Самуил (Сэм) Саган (1905—1979) родился в Каменце-Подольском (нынешняя Украина, Хмельницкая область), дед и бабушка по материнской линии эмигрировали из Австро-Венгерской империи. Дед Лейб (Льюис) Грубер (1885—1952) жил в селе Сасов к востоку от Львова и зарабатывал тем, что переносил «пассажиров» на себе через р. Буг. В 1904 году бежал в Америку от обвинения в убийстве, оставив дома молодую жену. Мать Карла, Рэйчел Молли Грубер (1907—1982) родилась в Нью-Йорке. Карла назвали в честь бабушки Клары (1876—1909), которую он никогда не видел. У Карла была сестра, Кэрол, и семья жила в скромной квартире недалеко от Атлантического океана, в Бенсонхерст, в районе Бруклин. На четырёхлетнего Карла произвело огромное впечатление посещение Всемирной выставки 1939 года в Нью-Йорке. В пять лет Карл отправился со своей матерью в городскую библиотеку, и первой книгой, которую он там попросил, стала брошюра по основам астрономии. Саган хотел знать, что такое звёзды, и его потрясло известие, что они размером с наше Солнце, а то и больше, но кажутся маленькими из-за огромных расстояний. Именно тогда Карл осознал истинные размеры Вселенной и в дальнейшем активно изучал астрономию. В конце концов, в 12 лет, он уже твёрдо решается стать астрономом. В семь лет Саган посетил планетарий Хейдена на Манхэттене. Экскурсия произвела на него огромное впечатление. В 13 лет у Карла была Бар-мицва. В 1948 году семья Саганов переехала в промышленный городок Рауэй, поблизости от Нью-Йорка. Карл поступил там в Rahway High School — школу, которую окончил в 1951 году.