張衡擅長機械方面制造的技巧，尤其專心研究天文、氣象、歲時節候的推算。漢安帝常聽說張衡精通天文、歷法等術數方面的學問，就派官府專車，特地召請（張衡）任命他為郎中，後又升為太史令。於是他研究、考察了自然界的變化，精妙透徹地掌握了測天儀器的原理，制造了渾天儀，寫了《靈憲》、《算罔論》等關於歷法、數學方面的論著，論述十分詳盡明白。
（漢）順帝初年，（張衡）又被調回重當太史令。他不慕高官厚祿，所擔任的官職，常常多年得不到提升。從離開太史令職務，五年後又恢復原職。
（順帝）陽嘉元年，（張衡）又制造了候風地動儀。是用純銅鑄造的，直徑有八尺，蓋子中央凸起，樣子象個大酒樽。外面用篆體文字和山、龜、鳥、獸的圖案裝飾，內部中央有根粗大的銅柱，銅柱周圍伸出八條滑道，（還）裝置著樞紐，（用來）撥動機件。外面有八條銅龍，龍口各含壹枚銅丸，（龍頭）下面各有壹個蛤蟆，張著嘴巴，準備接住龍口吐出的銅丸，儀器的樞紐和機件制造的巧妙，都隱藏在酒樽形的儀器中，覆蓋嚴密得沒有壹點縫隙。如果發生地震，儀器外面的龍就震動起來，機關發動，龍口吐出銅丸，下面的蛤蟆就把它接住。（銅丸）震擊的聲音清脆響亮，守候儀器的人因此知道發生了地震。（地震發生時）雖然只有壹條龍的機關發動，另外七個龍頭絲毫不動，尋找它的方向，就能知道地震的地方。用實際發生的地震來檢驗儀器，彼此完全相符，真是靈驗如神。從古籍的記載中，還看不到這樣的儀器。曾有壹次，壹條龍的機關發動了，可是（洛陽）並沒有感到地震，京城裏的學者都驚異地動儀這次怎麽不靈驗了。幾天後，驛站上傳送文書的人來了，證明果然在隴西地區發生了地震，於是全都嘆服地動儀的巧妙。從此以後，（朝廷）就責成史官根據地動儀，記載每次地震發生的方位。
當時政治越來越腐敗，大權落到了宦官手裏，張衡於是給皇帝上疏陳述政事，提出關於政事的意見。……
東漢王朝建立之初，漢光武喜歡符讖，以至後來的顯宗、肅宗也就繼承效法他。從漢光武復興漢王朝之後，儒生爭相學習圖讖和緯書，加上還附以迷惑人的邪說。張衡認為圖讖和緯書虛假荒謬，不是聖人的法規，於是給皇帝上疏。……
後來張衡升任侍中，順帝任用他入宮廷，在自己左右對國家的政事提出意見。順帝曾經詢問張衡天下所痛恨的人。宦官們害怕他說自己的壞話，都用眼睛瞪著他，張衡便用壹些不易捉摸的話回答後出來了。這些閹人豎子還是擔心張衡終究會成為他們的禍害，於是就群起而毀謗張衡。
張衡也常考慮自身安全的事，認為禍福相因，幽深微妙，難以知道。於是作《思玄賦》來抒發和寄托自己的感情誌趣。……
（順帝）永和初年，張衡被調出京城，去當河間王劉政的相國。當時河間王驕橫奢侈，不遵守法令制度；（河間地區）又有很多豪門大戶，和劉政壹道胡作非為，張衡壹到任就樹立威信，整頓法制，暗中探知壹些奸黨分子的姓名，壹下子全都抓起來，官民上下都很敬畏，贊頌河間地區政治清明。張衡治理河間政務三年後，就向朝廷上書，請求辭職告老還鄉，朝廷卻把他調回京城，任命為尚書。（張衡）活到六十二歲，永和四年與世長辭。
著《周官訓詁》，崔瑗認為與其他儒生的說解沒有區別。又想繼承孔丘研究《易經》的《彖》、《象》等篇的殘缺部分，但終於沒有完成。所著的詩、賦、銘、七言、《靈憲》、《應閑》、《七辯》、《巡誥》、《懸圖》***三十二篇。