Sagan contrajo matrimonio tres veces: en 1957, con la bióloga Lynn Margulis, madre del escritor Dorion Sagan y del programador y empresario informático Jeremy Sagan; en 1968, con la artista y guionista Linda Salzman, madre del escritor y guionista Nick Sagan; y en 1981, con la escritora y activista Ann Druyan, madre de la productora, guionista y directora Sasha Sagan y de Sam Sagan; unión que duraría hasta la muerte del científico en 1996.