Köppen foi um dos principais fundadores da climatologia e meteorologia modernas. Entre 1850 e 1860, Köppen contribuiu para os manuais de navegação da Seewart para os oceanos Atlântico, Pacífico e Índico, estudando relatórios de navios sobre os ventos de diferentes oceanos. Entre 1872 e 1873, Köppen foi empregado no serviço meteorológico russo como assistente, onde ajudou a preparar o mapa sinóptico meteorológico diário. Em 1875, ele voltou para a Alemanha e tornou-se chefe da nova Divisão de Meteorologia Marinha do observatório naval alemão (Deutsche Seewarte), com sede em Hamburgo. Lá, ele foi responsável por estabelecer um serviço de previsão meteorológica para a parte noroeste da Alemanha e as áreas marítimas adjacentes. Após quatro anos de serviço, ele foi capaz de passar para o seu principal interesse de pesquisa fundamental, e deixou o escritório de meteorologia.

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Mapa da classificação climática global de Köppen

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Köppen começou um estudo sistemático do clima e também experimentou com balões para obter dados das camadas superiores da atmosfera. Em 1884, ele publicou a primeira versão do seu mapa de zonas climáticas em que as faixas sazonais de temperatura foram traçadas. Isso levou ao desenvolvimento do sistema de classificação climática de Köppen por volta de 1900, que ele continuou melhorando para o resto de sua vida. A versão completa do seu sistema apareceu primeiro em 1918; após várias modificações, a versão final foi publicada em 1936.

Parte da descrição de vários tipos de clima, ele também conhecia a paleoclimatologia. Em 1924, ele e seu genro Alfred Wegener publicaram um artigo chamado Die Klimate der Geologischen Vorzeit (Os climas do passado geológico), dando um apoio crucial à teoria Milanković sobre a idade do gelo. Também, em 1911 ele co-escreveu The Thermodynamics of the Atmosphere, um livro que se tornou muito popular.

Towards the end of his life, Köppen cooperou com o climatólogo alemão Rudolf Geiger para produzir um trabalho de cinco volumes, Handbuch der Klimatologie (Manual de Climatologia). Nunca foi concluído, mas várias partes, três das quais de Köppen, foram publicadas. Após a morte de Köppen em 1940, Geiger continuou a trabalhar em modificações no sistema de classificação climática.

Köppen foi um cientista prolífico, produzindo mais de 500 trabalhos, e manteve sua curiosidade intelectual e ampla gama de interesses ao longo de sua vida. Em 1890, ele foi co-autor do primeiro atlas das nuvens. Paralelamente às atividades científicas, ele estava ativamente envolvido em questões sociais, dedicando muito tempo e energia a esses problemas de uso da terra, reforma escolar e nutrição para os desprivilegiados. Ele foi um forte defensor do uso do esperanto na causa da paz mundial, traduzindo várias das suas publicações para o esperanto.

Ele tinha uma esposa, Marie, e cinco filhos, incluindo a filha Else. A irmã de Marie, Sophie, e seus filhos mudaram-se com os Köppens em 1888.