Köppen byl hlavním zakladatelem moderní klimatologie a meteorologie. V letech 1850-1860 Köppen přispěl do Seewartových plavebních příruček pro Atlantický, Tichý a Indický oceán tím, že studoval zprávy lodí o větrech v různých oceánech. V letech 1872-1873 byl Köppen zaměstnán v ruské meteorologické službě jako asistent, kde pomáhal připravovat denní synoptické mapy počasí. V roce 1875 se vrátil do Německa a stal se vedoucím nového oddělení námořní meteorologie na německé námořní observatoři (Deutsche Seewarte) se sídlem v Hamburku. Zde byl zodpovědný za vytvoření předpovědní služby pro severozápadní část Německa a přilehlé mořské oblasti. Po čtyřech letech služby se mohl věnovat svému hlavnímu zájmu, kterým byl základní výzkum, a z meteorologického úřadu odešel.

Mapa Köppenovy globální klimatické klasifikace

Köppen zahájil systematické studium klimatu a také experimentoval s balony pro získávání dat z horních vrstev atmosféry. V roce 1884 publikoval první verzi své mapy klimatických pásem, v níž byly zakresleny sezónní rozsahy teplot. To vedlo kolem roku 1900 k vytvoření Köppenova systému klasifikace podnebí, který po zbytek svého života neustále zdokonaloval. Úplná verze jeho systému se poprvé objevila v roce 1918; po několika úpravách byla konečná verze publikována v roce 1936.

Kromě popisu různých typů podnebí se seznámil také s paleoklimatologií. V roce 1924 publikoval spolu se svým zetěm Alfredem Wegenerem práci nazvanou Die Klimate der Geologischen Vorzeit (Klima geologické minulosti), která poskytla zásadní podporu Milankovićově teorii o dobách ledových. V roce 1911 se také stal spoluautorem učebnice The Thermodynamics of the Atmosphere (Termodynamika atmosféry), která se stala velmi populární.

Koncem svého života Köppen spolupracoval s německým klimatologem Rudolfem Geigerem na pětisvazkovém díle Handbuch der Klimatologie (Příručka klimatologie). Kniha nebyla nikdy dokončena, ale bylo vydáno několik dílů, z nichž tři napsal Köppen. Po Köppenově smrti v roce 1940 Geiger pokračoval v práci na úpravách systému klasifikace klimatu.

Köppen byl plodným vědcem, vyprodukoval více než 500 prací a svou intelektuální zvídavost a široký záběr zájmů si zachoval po celý život. V roce 1890 se stal spoluautorem prvního atlasu oblačnosti. Vedle vědecké činnosti se aktivně zabýval sociálními otázkami a věnoval mnoho času a energie například problémům využívání půdy a školské reformy a výživy znevýhodněných. Byl velkým zastáncem používání esperanta ve prospěch světového míru a do esperanta přeložil několik svých publikací.

Měl manželku Marii a pět dětí včetně dcery Else. Mariina sestra Sophie a její děti se v roce 1888 přestěhovaly ke Köppenovým.