Köppen fue uno de los principales fundadores de la climatología y la meteorología modernas. Entre 1850 y 1860, Köppen contribuyó a los manuales de navegación de Seewart para los océanos Atlántico, Pacífico e Índico, estudiando los informes de los barcos sobre los vientos de los diferentes océanos. Entre 1872 y 1873, Köppen trabajó en el servicio meteorológico ruso como asistente, donde ayudó a preparar el mapa meteorológico sinóptico diario. En 1875 regresó a Alemania y se convirtió en el jefe de la nueva División de Meteorología Marina del observatorio naval alemán (Deutsche Seewarte) con sede en Hamburgo. Allí se encargó de establecer un servicio de previsión meteorológica para el noroeste de Alemania y las zonas marítimas adyacentes. Tras cuatro años de servicio, pudo dedicarse a su principal interés, la investigación fundamental, y dejó la oficina meteorológica.

Mapa de la clasificación climática global de Köppen

Köppen comenzó un estudio sistemático del clima y también experimentó con globos para obtener datos de las capas superiores de la atmósfera. En 1884, publicó la primera versión de su mapa de zonas climáticas en el que se trazaban los rangos de temperatura estacionales. Esto condujo al desarrollo del sistema de clasificación climática de Köppen hacia 1900, que siguió mejorando durante el resto de su vida. La versión completa de su sistema apareció por primera vez en 1918; tras varias modificaciones, la versión final se publicó en 1936.

Aparte de la descripción de varios tipos de clima, también estaba familiarizado con la paleoclimatología. En 1924, él y su yerno Alfred Wegener publicaron un artículo titulado Die Klimate der Geologischen Vorzeit (Los climas del pasado geológico) que proporcionaba un apoyo crucial a la teoría de Milanković sobre las edades de hielo. Además, en 1911 coescribió The Thermodynamics of the Atmosphere (La termodinámica de la atmósfera), un libro de texto que se hizo muy popular.

Hacia el final de su vida, Köppen cooperó con el climatólogo alemán Rudolf Geiger para producir una obra de cinco volúmenes, Handbuch der Klimatologie (Manual de climatología). Nunca se completó, pero se publicaron varias partes, tres de ellas de Köppen. Tras la muerte de Köppen en 1940, Geiger continuó trabajando en las modificaciones del sistema de clasificación climática.

Köppen fue un científico prolífico, que produjo más de 500 artículos, y mantuvo su curiosidad intelectual y su amplia gama de intereses durante toda su vida. En 1890 fue coautor del primer atlas de nubes. Además de las actividades científicas, participó activamente en cuestiones sociales, dedicando mucho tiempo y energía a problemas como el uso de la tierra, la reforma escolar y la nutrición de los más desfavorecidos. Fue un firme defensor del uso del esperanto en la causa de la paz mundial, traduciendo varias de sus publicaciones al esperanto.

Tenía una esposa, Marie, y cinco hijos, entre ellos su hija Else. La hermana de Marie, Sophie, y sus hijos se mudaron con los Köppen en 1888.