Köppen was een van de grondleggers van de moderne klimatologie en meteorologie. Tussen 1850 en 1860 leverde Köppen een bijdrage aan Seewart’s zeilhandboeken voor de Atlantische, Stille en Indische Oceaan door het bestuderen van scheepsrapporten over de winden van verschillende oceanen. Tussen 1872 en 1873 was Köppen werkzaam bij de Russische meteorologische dienst als assistent, waar hij hielp bij het opstellen van de dagelijkse synoptische weerkaart. In 1875 keerde hij terug naar Duitsland en werd hij hoofd van de nieuwe afdeling mariene meteorologie van de Duitse marine-observatiedienst (Deutsche Seewarte) in Hamburg. Daar was hij verantwoordelijk voor het opzetten van een weersvoorspellingsdienst voor het noordwestelijke deel van Duitsland en de aangrenzende zeegebieden. Na vier jaar dienst kon hij zich op zijn primaire interesse, fundamenteel onderzoek, richten en verliet hij de meteorologische dienst.

Kaart van Köppen’s wereldwijde klimaatclassificatie

Köppen begon met een systematische studie van het klimaat en experimenteerde ook met ballonnen om gegevens van de bovenste lagen van de atmosfeer te verkrijgen. In 1884 publiceerde hij de eerste versie van zijn kaart van klimaatzones waarop de seizoensgebonden temperatuurverschillen waren uitgezet. Dit leidde rond 1900 tot de ontwikkeling van het klimaatclassificatiesysteem Köppen, dat hij de rest van zijn leven bleef verbeteren. De volledige versie van zijn systeem verscheen voor het eerst in 1918; na verschillende aanpassingen werd de definitieve versie gepubliceerd in 1936.

Naast de beschrijving van verschillende klimaattypen was hij ook vertrouwd met paleoklimatologie. In 1924 publiceerde hij samen met zijn schoonzoon Alfred Wegener het artikel Die Klimate der Geologischen Vorzeit (De klimaten van het geologische verleden), dat cruciale steun bood aan de Milanković-theorie over ijstijden. Ook schreef hij in 1911 mee aan The Thermodynamics of the Atmosphere, een leerboek dat zeer populair werd.

Tegen het einde van zijn leven werkte Köppen samen met de Duitse klimatoloog Rudolf Geiger aan een vijfdelig werk, Handbuch der Klimatologie (Handboek voor Klimatologie). Het werd nooit voltooid, maar verschillende delen, waaronder drie van Köppen, werden gepubliceerd. Na Köppen’s dood in 1940, bleef Geiger werken aan wijzigingen van het klimaat classificatie systeem.

Köppen was een productief wetenschapper, produceerde meer dan 500 artikelen, en hij behield zijn intellectuele nieuwsgierigheid en brede waaier van interesses gedurende zijn hele leven. In 1890 was hij medeauteur van de eerste wolkenatlas. Naast zijn wetenschappelijke bezigheden was hij actief betrokken bij sociale vraagstukken en besteedde hij veel tijd en energie aan problemen op het gebied van landgebruik, schoolhervorming en voeding voor de minderbedeelden. Hij was een groot voorstander van het gebruik van Esperanto voor de wereldvrede en vertaalde verschillende van zijn publicaties in het Esperanto.

Hij had een vrouw, Marie, en vijf kinderen, waaronder dochter Else. Marie’s zuster Sophie en haar kinderen trokken in 1888 bij de Köppens in.