কার্ল সেগান ১৯৫১ সালে নিউ জার্সির রাহ্‌ওয়ে হাই স্কুল থেকে পড়াশোনা সম্পন্ন করেন। তিনি তার স্কুল জীবন সম্বন্ধে বলেছেন, জুনিয়র স্কুল ও হাই স্কুলে তিনি এমন কোন শিক্ষক পান নি যিনি বিজ্ঞানের ক্ষেত্রে অন্তত তাকে অনুপ্রেরণা যুগিয়েছেন। সেখানে পড়াশোনার পদ্ধতিও ছিল গতানুগতিক। ক্লাস ছিল হুকুম তামিল করার জায়গা, প্রশ্ন করার কোন সুযোগ ছিলনা, ল্যাবরেটরিতেও মুখস্থ করে সব করতে হতো। পাঠ্যবইয়ে এমন কিছু ছিলনা যা বিজ্ঞান বিষয়ে উচ্চ পর্যায়ের চেতনা সৃষ্টি করতে পারে। শেষের দিকে কিছু সুন্দর সুন্দর কথা থাকলেও তা পড়ার আগে বছর শেষ হয়ে যেত। লাইব্রেরিতে কিছু ভাল বই থাকলেও শ্রেণীকক্ষে তার কোন স্থান ছিল না। হাই স্কুল পাঠ শেষে তিনি শিকাগো বিশ্ববিদ্যালয়ে ভর্তি হন। এখান থেকে সেখানে লাইব্রেরির বই পড়ে পড়েই তার মধ্যে একটি চেতনার সৃষ্টি হয়। তিনি মূলত পড়তেন বিভিন্ন বিজ্ঞান পত্রিকা এবং বৈজ্ঞানিক কল্পকাহিনী।

স্কুল শিক্ষা শেষে সেগান শিকাগো বিশ্ববিদ্যালয়ে পদার্থবিজ্ঞান বিষয়ে ভর্তি হন। এখান থেকে ১৯৫৫ সালে ব্যাচেলর্‌স ডিগ্রী এবং ১৯৫৬ সালে মাস্টার্স ডিগ্রী লাভ করেন। একই বিশ্ববিদ্যালয় থেকে ১৯৬০ সালে জ্যোতির্বিজ্ঞান ও জ্যোতিঃপদার্থবিজ্ঞান বিষয়ে ডক্টরেট ডিগ্রী লাভ করেছিলেন। এখানে তিনি এমন সব শিক্ষক পেয়েছিলেন যারা ছিল সমকালীন বিজ্ঞানের দিকপাল। এদের মধ্যে ছিলেন সুব্রামানিয়াম চন্দ্রশেখর, এনরিকো ফার্মি, এইচ জি মুলার এবং জি পি কুইপার। তার বিশ্ববিদ্যালয়ে পদার্থবিজ্ঞানের সব কিছু আবর্তিত হতো ফার্মিকে কেন্দ্র করে। আর চন্দ্রশেখরের কাছ থেকে তিনি পেয়েছিলেন গণিতের সৌন্দর্য্যের ধারণা। এছাড়া এক গ্রীষ্মকাল জুড়ে বিখ্যাত রসায়নবিদ হ্যারল্ড উরের সাথে আলাপ করার সুযোগ পেয়েছিলেন তিনি এখানেই। তার জ্যোতির্বিজ্ঞান শিক্ষার হাতেখড়ি হয় জিপি কুইপারের কাছে যার নামে কুইপার বেষ্টনীর নাম রাখা হয়েছে। বিশ্ববিদ্যালয় জীবনে তিনি বিখ্যাত বংশগতি বিজ্ঞানী এইচ জি মুলারের সাথে কাজ করেছিলেন। মুলার ছিলেন ইন্ডিয়ানা বিশ্ববিদ্যালয়ের অধ্যাপক। ১৯৬২ থেকে ১৯৬৮ সাল পর্যন্ত তিনি ম্যাসাচুসেট্‌সের স্মিথসোনিয়ান অ্যাস্ট্রোফিজিক্যাল মানমন্দিরে কাজ করেন।

শিকাগো বিশ্ববিদ্যালয়ের সাধারণ শিক্ষা কার্যক্রমে অংশ নেয়ার মাধ্যমে সেগান বিশুদ্ধ বিজ্ঞান শিক্ষার মৌলিক চেতনা লাভ করেন। এই কার্যক্রমের পরিচালক ছিলেন রবার্ট এম হাচিন্‌স। এই কার্যক্রমে বিজ্ঞানকে প্রকাশ করা হতো সমস্ত মানব জ্ঞানের অবিচ্ছিন্ন অংশ হিসেবে। সেখানে বোঝানো হতো, একজন পদার্থবিজ্ঞানীরও প্লেটো, আরিস্টটল, বাখ, শেক্সপিয়ার, গিবন জানা থাকা প্রয়োজন। কার্যক্রমের পরিচিতিমূলক বিজ্ঞান ক্লাসে প্রথমত টলেমির পৃথিবীকেন্দ্রিক ব্যবস্থাকে এমনভাবে উপস্থাপন করা হতো যে, কোপারনিকাসের সৌরকেন্দ্রিক মতবাদ নিয়েও নতুনভাবে চিন্তা করতে হতো। এর ফলে ছাত্রদের চিন্তাধারায় ব্যাপক পরিবর্তন ঘটে যেতো। হাচিন্‌স কারিকুলামের শিক্ষকদের মানদণ্ড তাদের গবেষণার সাথে সম্পর্কযুক্ত ছিল না। এই শিক্ষকদের মান নির্ধারণ করে দেয়া হতো শিক্ষা দেয়ার পদ্ধতির ভিত্তিতে, কতটুকু তথ্য তারা পৌঁছে দিতে পারছেন, কতটুকু উৎসাহ যোগাতে পারছেন এবং নতুন কোন দৃষ্টিভঙ্গি উপস্থাপন করতে পারছেন কি-না তার উপর। এই শিক্ষার ফলে তিনি মহাবিশ্বের কর্মকাণ্ডকে ব্যাপক দৃষ্টিতে দেখতে অভ্যস্ত হয়েছিলেন। তার পঞ্চাশের দশকের শিক্ষকদের প্রতি তিনি সবসময়ই কৃতজ্ঞতা বোধ করেছেন। তথাপি তার শিক্ষা জীবন সম্বন্ধে তাকে বলতে শোনা যায়:
শিক্ষা জীবন
জ্যোতির্বিজ্ঞানী হয়ে উঠার প্রেরণা
ব্যক্তিগত জীবন ও বিশ্বাস
মৃত্যু