O Dicionário Eletrônico Houaiss acolhe cosmópolis, mas remete para cosmópole, a variante que considera preferível; trata-se de «cidade caracterizada pela vultosa dimensão e pelo grande número de habitantes, freq[uentemente] originários dos mais diversos pontos do país ou t[am]b[ém] de outros países» («Nova Iorque é uma verdadeira c[osmópolis]» [cosmópole]).

O Aulete Digital, por sua vez, também regista os vocábulos cosmópolis e cosmópole, mas este dicionário, ao contrário do anterior, considera preferível a primeira forma; e diz que é «cidade, localidade frequentada por forasteiros vindos de todas as partes do mundo: "O Estoril é uma verdadeira cosmópolis. Aprazou-se em Paris a cosmópolis, dos estudos" (Ric. Jorge, Passadas de Erradio, p. 92.)». A palavra vem do «gr[ego] Kosmos (mundo) + polis (cidade)».

Por outro lado, a Infopédia regista cosmopolis (sem acento) e não acolhe cosmopole (ou cosmópole). Diz que cosmopolis é «cidade cosmopolita».

Por sua vez, o Vocabulário Ortográfico do Português, da responsabilidade do ILTEC, regista unicamente a palavra cosmópole (nome feminino), não reconhecendo a forma cosmópolis. No entanto, o Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa (2009), da Porto Editora, atesta somente o nome comum (fem.) cosmópolis e o topónimo Cosmópolis, e, por sua vez, o  Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa (2009), da Academia Brasileira de Letras, acolhe igualmente as duas formas de nome feminino: cosmópole (e o adjetivo cosmoplense) e cosmópolis.

Respondendo à sua pergunta, e tendo como referência os atuais vocabulários ortográficos, parece-nos que podem ser consideradas igualmente corretas as duas formas: cosmópole e cosmópolis.