张衡年轻的时候就对自然科学, 尤其是天文学感兴趣. 他淡薄名利, 曾经两次辞去官职, 用三年的时间研究哲学、数学、天文, 积累了大量的知识, 并开始著书立说。
在距今两千多年的汉代, 中国关于宇宙结构的理论就非常丰富, 当时主要有三个学派, 即盖天说, 浑天论和宣夜说, 张衡就是浑天说的代表人物. 他认为天就象一个鸡蛋, 地好比鸡蛋黄, 天大地小, 天地各乘气而立, 载水而浮. 这个理论在当时是很进步的. 另外, 张衡关于天、地起源和演化的回答也是具有辩证思想的, 他认为, 天地没有分开之前, 混混沌沌, 分开以后, 轻者上升为天, 重者凝结为地. 天为阳气, 地为阴气, 二气互相作用, 创造万物. 张衡还用距离的变化来解释行星运行的快慢. 近代科学证明, 行星运动的快慢是和它同太阳距离的近远相关的. 可见张衡的解释有合理的因素.。
张衡不但注重理论研究, 而且注重实践, 他曾亲自设计了漏水转浑天仪、候风地动仪. 候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器, 公元138 年, 张衡用它成功地记录了在陕西发生的一次地震. 浑天仪相当于现在的地球仪, 它原是另外的一位科学家发明的, 张衡作了一些改进, 他用齿轮系统把浑象----类似现在天球仪和计时漏壶联系起来, 漏壶滴水推动浑象均匀地旋转, 一天刚转好一周, 这样, 人在屋子里看浑象, 就可以知道什么时间哪颗星在什么位置上。
张衡还对许多具体的天象做了观察和分析. 他统计出中国中原地区能看到的星数大约有2,500 颗, 他基本上掌握了月食的原理. 张衡测出太阳和月亮的角直径也是相当准确的. 张衡认为, 早晚和中午的太阳, 其大小是一样的, 看起来早晚大, 中午小, 只是一种光学作用. 早晚观测者所处的环境比较暗, 从暗处看明处就显得大, 中午时天地同明, 看天上的太阳就显得小. 好比一团火, 夜里看就大, 白天看就小. 张衡的这种解释, 尽管不很全面, 但是有一定的道理。
张衡不仅是天文学家, 他还是东汉时期有名的文学家, 他的绘画也相当出色,被列为当时的六大名画家之一. 据中国的史书记载, 张衡一生共留下科学、哲学、文学方面的著作三十二篇, 其中表明了张衡的为人和治学态度, 而则是人类到星际旅行的畅想曲, 是中国早期的科学幻想文章. 另外，、被称为张衡的代表作, 一直流传至今. 在这两篇作品中,张衡细致地描写了东京、西京的景致( 东京, 指现在陕西省的西安; 西京指现在河南省的洛阳), 娓娓地叙述了这里的风俗民情, 手法浪漫夸张, 其中叙述各种民间技艺的表演, 是极其珍贵的中国古代杂技艺术史料。
