Köppen a modern klimatológia és meteorológia egyik fő megalapítója volt. Köppen 1850 és 1860 között a különböző óceánok szelei feletti hajójelentések tanulmányozásával járult hozzá Seewart Atlanti-, Csendes- és Indiai-óceánra vonatkozó vitorlás kézikönyveihez. 1872 és 1873 között Köppen az orosz meteorológiai szolgálatnál dolgozott asszisztensként, ahol segített a napi szinoptikus időjárási térkép elkészítésében. 1875-ben visszaköltözött Németországba, és a hamburgi székhelyű német haditengerészeti obszervatórium (Deutsche Seewarte) új tengeri meteorológiai osztályának vezetője lett. Itt az volt a feladata, hogy időjárás-előrejelző szolgálatot hozzon létre Németország északnyugati részére és a szomszédos tengeri területekre. Négy év szolgálat után áttérhetett elsődleges érdeklődési körére, az alapkutatásra, és elhagyta a meteorológiai hivatalt.

Köppen globális éghajlati osztályozásának térképe

Köppen megkezdte az éghajlat szisztematikus vizsgálatát, és léggömbökkel is kísérletezett, hogy adatokat nyerjen a légkör felsőbb rétegeiből. 1884-ben tette közzé az éghajlati övezetek térképének első változatát, amelyen az évszakos hőmérsékleti tartományokat ábrázolta. Ez vezetett 1900 körül a Köppen-féle éghajlati osztályozási rendszer kidolgozásához, amelyet élete végéig folyamatosan fejlesztett. Rendszerének teljes változata először 1918-ban jelent meg; több módosítás után a végleges változat 1936-ban jelent meg.

A különböző éghajlati típusok leírása mellett a paleoklimatológiával is megismerkedett. 1924-ben vejével, Alfred Wegenerrel közösen publikálta Die Klimate der Geologischen Vorzeit (A geológiai múlt éghajlata) című tanulmányát, amely döntő támogatást nyújtott a jégkorszakokra vonatkozó Milankovics-elméletnek. Emellett 1911-ben társszerzője volt A légkör termodinamikája című tankönyvnek, amely nagyon népszerűvé vált.

Élete vége felé Köppen Rudolf Geiger német klimatológussal együttműködve elkészítette Handbuch der Klimatologie (A klimatológia kézikönyve) című ötkötetes művét. A művet soha nem fejezték be, de több része, köztük három Köppen által írt rész is megjelent. Köppen 1940-ben bekövetkezett halála után Geiger tovább dolgozott az éghajlati osztályozási rendszer módosításain.

Köppen termékeny tudós volt, több mint 500 tanulmányt írt, és egész életében megőrizte szellemi kíváncsiságát és széleskörű érdeklődését. 1890-ben társszerzője volt az első felhőatlasznak. A tudományos tevékenység mellett aktívan foglalkozott társadalmi kérdésekkel is, sok időt és energiát szentelt olyan problémáknak, mint a földhasználat, az iskolai reform és a hátrányos helyzetűek táplálkozása. Határozottan kiállt az eszperantó nyelv használata mellett a világbéke érdekében, számos publikációját lefordította eszperantóra.

Felesége Marie volt, és öt gyermeke, köztük Else lánya. Marie húga, Sophie és gyermekei 1888-ban Köppensékhez költöztek.