Sagan casóse trés vegaes: en 1957, cola bióloga Lynn Margulis, madre del escritor Dorion Sagan y del programador y empresariu informáticu Jeremy Sagan; en 1968, cola artista y guionista Linda Salzman, madre del escritor y guionista Nick Sagan; y en 1981, cola escritora y activista Ann Druyan, madre de la productora, guionista y direutora Sasha Sagan y de Sam Sagan, unión que duraría hasta la muerte del científicu en 1996.