少年時代對日月星辰的觀察，激發了張衡努力探索天文奧秘的決心。后來他兩度出任中央政府專管天文的太史令，在這方面取得了輝煌的成就。

　　據《辭海》所記：他首次正確解釋月食是由月球進入地影而產生;觀測和記錄了中原地區能看到的2500顆星星，并且繪制了我國第一幅較完備的星圖;他創制了世界上第一臺候風地動儀;創造了指南車、自動記里鼓車和能飛行數里的木鳥。

　　渴求知識的張衡總是感到自己知識的不足，不滿17歲時，他辭別父母獨身一人到外地訪師求學。在古都長安，他游覽了當地的名勝古跡，考察了周圍的山川形勢、物產風俗和世態人情。在當時的京都洛陽，他結識了不少有學問的朋友，其中有一個叫崔瑗，精通天文、數學、歷法，還是很有名氣的書法家。張衡登門向他求教。

　　正是由于他這種虛心好學的精神使得他在各方面獲益匪淺。除了在天文學方面有杰出成就外，在地震學的研究上也是舉世矚目的，他創制的候風地動儀比歐洲相類似的儀器問世早1700多年。他還是東漢六大畫家之一，他寫的《二京賦》“精思博會，十年乃成”，為人們所津津樂道。