Köppen był głównym twórcą nowoczesnej klimatologii i meteorologii. W latach 1850-1860 Köppen przyczynił się do powstania podręczników żeglarskich Seewarta dla Oceanu Atlantyckiego, Spokojnego i Indyjskiego, badając raporty statków na temat wiatrów na różnych oceanach. W latach 1872-1873 Köppen był zatrudniony w rosyjskiej służbie meteorologicznej jako asystent, gdzie pomagał w przygotowaniu codziennej synoptycznej mapy pogody. W 1875 roku wrócił do Niemiec i został szefem nowego Wydziału Meteorologii Morskiej w Niemieckim Obserwatorium Morskim (Deutsche Seewarte) z siedzibą w Hamburgu. Był tam odpowiedzialny za stworzenie służby prognozowania pogody dla północno-zachodniej części Niemiec i przyległych obszarów morskich. Po czterech latach służby mógł przejść do swojego głównego zainteresowania, jakim były badania podstawowe, i opuścił biuro meteorologiczne.

Mapa globalnej klasyfikacji klimatycznej Köppena

Köppen rozpoczął systematyczne badania klimatu, a także eksperymentował z balonami w celu uzyskania danych z górnych warstw atmosfery. W 1884 r. opublikował pierwszą wersję swojej mapy stref klimatycznych, na której naniesione zostały sezonowe zakresy temperatur. Doprowadziło to do opracowania około 1900 roku systemu klasyfikacji klimatycznej Köppena, który udoskonalał do końca życia. Pełna wersja jego systemu pojawiła się po raz pierwszy w 1918 r.; po kilku modyfikacjach ostateczna wersja została opublikowana w 1936 r.

Oprócz opisu różnych typów klimatu zajmował się również paleoklimatologią. W 1924 r. opublikował wraz ze swoim zięciem Alfredem Wegenerem pracę Die Klimate der Geologischen Vorzeit (Klimaty przeszłości geologicznej), która stanowiła istotne wsparcie dla teorii Milankovića o epokach lodowcowych. Ponadto, w 1911 roku był współautorem książki The Thermodynamics of the Atmosphere, podręcznika, który stał się bardzo popularny.

Pod koniec życia Köppen współpracował z niemieckim klimatologiem Rudolfem Geigerem w celu wyprodukowania pięciotomowego dzieła Handbuch der Klimatologie (Podręcznik klimatologii). Dzieło to nigdy nie zostało ukończone, ale opublikowano kilka jego części, w tym trzy autorstwa Köppena. Po śmierci Köppena w 1940 roku Geiger kontynuował pracę nad modyfikacjami systemu klasyfikacji klimatycznej.

Köppen był płodnym naukowcem, opublikował ponad 500 prac i zachował swoją intelektualną ciekawość i szeroki zakres zainteresowań przez całe życie. W 1890 r. był współautorem pierwszego atlasu chmur. Obok działalności naukowej, był aktywnie zaangażowany w kwestie społeczne, poświęcając wiele czasu i energii na takie problemy jak zagospodarowanie przestrzenne, reforma szkolnictwa i żywienie osób nieuprzywilejowanych. Był gorącym zwolennikiem używania esperanto w celu zapewnienia pokoju na świecie i przetłumaczył kilka swoich publikacji na esperanto. Miał żonę Marie i pięcioro dzieci, w tym córkę Else. Siostra Marie, Sophie, wraz z dziećmi zamieszkała z Köppenami w 1888 roku.