張衡是一位具有多方面才能的科學家。他的成就涉及到天文學、地震學、機械技術、數學乃至文學藝術等許多領域。

張衡在天文學方面有兩項最重要的工作——著《靈憲》，作渾天儀。此外，在歷法方面也有所研究。

《靈憲》是張衡有關天文學的一篇代表作，全面體現了張衡在天文學上的成就和發展。原文被《后漢書·天文志》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學要點如下：

他認為宇宙是無限的，天體的運行是有規律的；月光是日光的反射，月蝕起因于地遮日光，月繞地行且有升降。他認識到太陽運行(應是地球公轉)的某些規律，正確解釋了冬季夜長、夏季夜短和春分、秋分晝夜等時的起因。他指出在中原可以見到的星有2500個，與今人所知略近。他經過對某些天體運轉情況的觀測，得出一周天為三百六十五度又四分度之一的結論，與近世所測地球繞日一周歷時365天5小時48分46秒的數值相差無幾。

博通經籍

張衡的家族世代為當地的大姓。他的祖父張堪，自小志高力行，被人稱為圣童，曾把家傳余財數百萬讓給他的侄子。光武帝劉秀登基后張堪被任命為蜀郡太守，隨大司馬吳漢討伐割據益州的公孫述，立有大功。其后又領兵抗擊匈奴有功，被拜為漁陽太守。曾以數千騎兵擊破匈奴來犯的一萬騎兵。此后在他的任期內匈奴再也沒有敢來侵擾。他又教人民耕種，開稻田八千頃，人民由此致富。所以，有民謠歌頌他說：“張君為政，樂不可支。”張堪為官清廉。伐蜀時他是首先攻入成都的，但他對公孫述留下的堆積如山的珍寶毫無所取。蜀郡號稱天府，但張堪在奉調離蜀郡太守任時乘的是一輛破車，攜帶的只有一卷布被囊。

張衡像他的祖父一樣，自小刻苦向學，少年時便會做文章。16歲以后曾離開家鄉到外地游學。他先到了當時的學術文化中心三輔（今陜西省西安市一帶）地區。這一地區壯麗的山河和宏偉的秦漢古都遺址給他提供了豐富的文學創作素材。以后又到了東漢都城洛陽。在那兒，他進過當時的最高學府太學，結識了后來著名的學者崔瑗，與他結為摯友。張衡興趣廣泛，自學《五經》，貫通了六藝的道理，而且還喜歡研究算學、天文、地理和機械制造等。但在青年時期，他的志趣大半還在詩歌、辭賦、散文上，盡管他才高于世，卻沒有驕傲之情。平常從容淡泊，不喜歡與俗人相交。

步入仕途

漢和帝永元（89年—105年）年間，張衡被推舉為孝廉，但他沒有接受，公府幾次征召也不到。當時，國家太平日久，自王侯以下，沒有不奢侈過度的。張衡于是仿照班固的《兩都賦》，殫精竭思十年，才作成《二京賦》，用以諷諫朝廷。大將軍鄧騭欣賞張衡的才華，多次征召他，張衡都不應命。

公元100年（永元十二年），張衡應南陽太守鮑德之請，作了他的主簿，掌管文書工作。八年后，鮑德調任京師，張衡即辭官居家。

職掌太史

張衡擅長機械，特別用心于天文、陰陽、歷算。平常喜愛揚雄的《太玄經》，對崔瑗說：“我看《太玄》，才知道子云（揚雄字）妙極道數，可與《五經》相比，不僅僅是傳記一類，使人論辯陰陽之事，漢朝得天下二百年來的書啊。再二百年，《太玄經》就會衰微嗎？因為作者的命運必顯一世，這是當然之符驗。漢朝四百年之際，《玄》學還要興起來的呢。”漢安帝早就聽說張衡善術學，公元111年（永初五年），張衡被朝廷公車特征進京，被拜為郎中，再升任太史令。于是研究陰陽，精通天文歷法，制作渾天儀，著有《靈憲》、《算罔論》，寫得較為詳細明白。雖然在漢順帝即位初年再調動它職，但后來又任太史令，張衡任此職前后達14年之久。他許多重大的科學研究工作都是在這一階段里完成的。

張衡不慕當世的功名富貴，擔任官職，往往多年都不得遷升。自從離開史官的職務五年后，又回到原職。于是設客問體，作《應問》來表明自己的心跡。當時，政事漸衰，宦官干政。張衡于是上疏陳事，勸諫順帝。

外出國相

公元133年（陽嘉二年），張衡升任侍中，順帝任用他在自己身邊對國家的政事提出意見。順帝曾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，張衡便用一些不易捉摸的話回答后出來了。但宦官還是擔心張衡以后會成為他們的禍害，于是群起毀謗張衡。張衡常想著如何立身行事。認為吉兇禍福，幽暗深微，不易明白，于是作《思玄賦》，以表達和寄托自己的情志。

公元136年（永和元年），張衡被外調任河間王劉政的國相。劉政驕奢淫逸，不遵法紀；又有不少豪強之徒，糾集在一起做亂。張衡到任后，嚴整法紀，打擊豪強，暗中探得奸黨名姓，一時收捕，上下肅然，他為政以清廉著稱。任職三年后，張衡上書請求辭職歸家，被征召拜為尚書。

公元139年（永和四年），張衡逝世，享年六十二歲。

公元1009年（宋徽宗大觀三年），張衡因算學方面的成就被北宋追封為西鄂伯。

后世稱張衡為“木圣”科圣）。為了紀念張衡的功績，聯合國天文組織于1970年將月球背面的一個環形山命名為“張衡環形山”，又于1977年將小行星1802命名為“張衡星”，2003年，國際小行星中心為紀念張衡及其誕生地河南南陽，將小行星9092命名為“南陽星”。