Затем служил в департаменте сельского хозяйства Министерства государственных имуществ (1859—1864). Здесь Кёппен занимался инспекцией сельских хозяйств на юге России, выполнял различные научные и практические исследования.
Научный отчёт Кёппена «О состоянии сельского хозяйства за границей» был удостоен серебряной медали (1859). В 1863 году Кёппен организовал сельскохозяйственную выставку в Симферополе. В 1865 году Кёппен перешёл на службу делопроизводителем в департамент Министерства народного просвещения. Здесь он продолжал занятия прикладной энтомологией, изыскивая средства для борьбы с саранчой. Два года Кёппен провёл за границей для подготовки к защите профессорского звания по сельскому хозяйству (1870—1872).
По возвращении в Россию из-за отсутствия вакансий он поступил на службу в Публичную библиотеку в октябре 1872 года. В мае 1873 года он назначен заведующим Отделением иностранных книг по естественным наукам, математике, медицине и военному делу. Вскоре Отделение вышло на первое место в иностранном фонде по интенсивности пополнения фондов (оттеснив традиционно главенствующую «Россику»). Кёппен принимал активное участие по обновлению фондов, приобретению трудов Чарлза Дарвина и других естествоиспытателей XIX — начала XX веков. Кёппен разработал для систематического каталога Отделения оригинальную классификацию, а сам каталог привёл, по отзывам современников, в образцовый порядок.
Служба в Публичной библиотеке облегчала Кёппену реализацию его главного замысла — создание Каталога животного мира России (лат.Bibliotheca Zoologica Rossica). В 1877 годуПетербургская Академия наук одобрила создание такого каталога, признав его весьма полезным и взяла на себя расходы по изданию и оказанию материальной помощи автору.
Работая над составлением каталога, Кёппен не оставлял и экспедиционной практики: в 1880 году он обследовал свекловичныеплантации юга России; в 1880—1883 годах Кёппен собирал материалы для фундаментального труда о вредных насекомых России.
Избрание Кёппена членом-корреспондентом Академии наук укрепило его связи с Академией. По инициативе Академии наук, поддержанной Публичной библиотекой и Министерством народного просвещения, Кеппен представлял Россию на III Международной библиографической конференции (Лондон, 1899). Он посетил библиотеки Германии, Франции, Бельгии, изучал постановку библиографического дела, опыт использования десятичной классификацииМ. Дьюи, организацию учёта литературы по точным наукам. По предложению Кёппена в России было организовано с его участием Библиографическое бюро Академии наук для регистрации отечественных работ по математике и естественным наукам, Россия включалась в создание международной библиографии по точным наукам.
Кёппен состоял членом особого отделения Учёного комитета Министерства народного просвещения по техническому и профессиональному образованию (1884)[3], участвовал в разработке плана технического и профессионального образования России (1884), был членом многих отечественных и зарубежных научных обществ. Кёппен — один из организаторов Русского энтомологического общества (1860), его учёный секретарь (1865—1868), библиотекарь (1869—1870), редактор изданий (1874)[4]. В 1897 году избран почётным членом Общества и его вице-президентом; участник съездов энтомологов в Харькове (1883) и Одессе (1886).
Перу Кёппена принадлежит свыше восьмидесяти научных трудов и публикаций о географическом распространении растений и животных в России, лесоводству, ботанике, энтомологии. Его работы публиковали в изданиях Академии наук, трудах Русского энтомологического общества и Русского географического общества, Журнале Министерства народного просвещения, журнале «Сельское хозяйство и лесоводство», «Земледельческой газете» и других отечественных и зарубежных изданиях. Книга Кёппена «Географическое распространение хвойных дерев в Европейской России и на Кавказе» получила премию митрополита Макария и золотую медаль Русского географического общества (1885). Кёппен занимался также научными переводами.
Beitrage zur Kenntnis der schädlichen Insecten Russlands. — Dorpat, 1858 (нем.)
Заметки о географическом распространении севернорусских пауков. — СПб., 1857
Каталог библиотеки Русского энтомологического общества. — СПб., 1869 (2-е изд. 1874, совм. с И. А. Порчинским и С. М. Сольским)
О саранче и других вредных прямокрылых из семейства Aeridiodea, преимущественно к России: В 2 кн. — СПб.: тип. т-ва «Обществ. польза», 1870.
Кн. 1. О перелетной саранче (Pachytylus migratorius L.)]. — 1870. — [8], 352 с., 1 л. карт.
Дикорастущие древесные породы Европейской России и Кавказа и насекомые, им вредящие. — СПб.: тип. В. Киршбаума, 1880. — 40 с
Вредные насекомые России. Т. 1—3. — СПб., 1881—1883
Т. 1. Общая часть: Введение в энтомологию. - 1881. - XX, 374 с.
Т. 2. Специальная часть. I. Прямокрылые, жуки и перепончатокрылые. — 1882. — X, 585 с.
Т. 3. Специальная часть. II. Бабочки, двукрылые и полужесткокрылые. - 1883. - VIII, 586 с.
Das Fehlen des Eichhornchens und das Vorhandensein des Rehs und Edelhirsches in der Krim. — SPb., 1882 (нем.)
Die Verbreitung des Elenthiers im europäischen Russland. — SPb., 1883 (нем.)
Географическое распространение хвойных дерев в Европейской России и на Кавказе. — СПб.: тип. Имп. Акад. наук, 1885. —[2], XX с., 634 с., 4 л. ил.: карт.
Насекомые, вредящие в России свекловице. — СПб.: тип. В.Ф. Демакова, 1891. — 50 с.
Ученые труды П. С. Палласа / Ф. П. Кеппен. — СПб.: тип. В.С. Балашева и К°, 1895. — 54 с.
К истории тарпана в России. — СПб.: тип. В.С. Балашева и К°, 1895. — 78 с.
Об издании международной библиографии по точным наукам //Журнал Министерства народного просвещения. — 1900. — № 8—10
О прежнем и нынешнем распространении бобра в пределах России. — СПб.: Сенат. тип., 1902. — 137 с.
Bibliotheca Zoologica Rossica, Bd 1—2. — SPb., 1905 (лат.)
Биография П. И. Кеппена. — СПб.: тип. Акад. наук, 1911. — [2], 170 с. — (Сборник Отделения русского языка и словесности Императорской Академии наук; Т. 89. № 5).
