我國天文學發展的歷史是悠久的。到漢代已有蓋天、宣夜和渾天等學派。蓋天説認為，天如蓋，蓋心是北極，天蓋左旋，日月星辰右轉。宣夜説認為天無定形，日月星辰“自然浮生虛空之中”，並不附著于“天體”之上。渾天説認為天如蛋殼，地如蛋黃，天地乘氣而立，載水而行。
宣夜説後來不幸失傳了，蓋天、渾天兩説並行，競相爭鳴，比較科學的渾天説漸佔上風。同時，觀測天象的儀器也不斷出現，如武帝時洛下閎製造了渾天儀，宣帝時耿壽昌又造了渾天儀，和帝時崔瑗的老師賈逵更製造了黃道銅儀。
張衡繼承和發展了前人的成果。任太史令後，他更加勤奮地“研核陰陽”，終於“妙盡璇璣之正”。元初四年(西元117年)，一件成就空前的銅鑄渾天儀，被張衡造了出來。
渾天儀主體是幾層均可運轉的圓圈，最外層周長一丈四尺六寸。各層分別刻著內、外規，南、北極、黃、赤道，二十四節氣，二十八列宿，還有“中”、“外”星辰和日、月、五緯等等天象。儀上附著兩個漏壺，壺底有孔，滴水推動圓圈，圓圈按著刻度慢慢轉動。於是乎各種天文現象便赫然展現在人們眼前。這件儀器被安放在靈臺大殿的密室之中。夜裏，室內觀儀人員把某時某刻出現的天象及時報告給靈臺上的觀天人員，結果是儀上、天上所現完全相符。
銅儀的兩側附有玉(龍)各一，吐水入壺，左為夜，右為晝。壺上分別立著金銅仙人和胥徒，“皆以左手抱箭，右手指刻，以別天時早晚”。更有妙者：臺階下還有內裝機關與兩壺相聯的瑞輪、莢，靠著滴水的推動，依照月亮出入圓缺的變化，不停地旋轉開闔，表示著朔、望、弦、晦等日期，有如活動日曆一般，可見這件渾天儀及其附器，與近世的假天儀有許多相似之處。在此儀誕生的前一年，張衡先用竹篾製成一個模型，名曰“小渾”，進行了一系列的試驗和校正，然後才鑄作大儀。渾天儀是張衡血汗的結晶。他接著寫了《渾天儀圖注》和《漏水轉渾天儀注》兩本説明書，又撰成《靈憲》一部，繪製《靈憲圖》一份。在這些著作中，張衡比較系統地闡述了自己的天文學理論，反映了他的樸素唯物主義的自然觀。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，得出一週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週歷時365天5小時48分46秒的數值相差無幾。
由於研究天文、律曆和製作儀器，張衡對數學的研究相應地加強了。在製成渾天儀後，他寫成了《算罔論》，要“網路天地而算之”。他用“漸進分數”之法，算出圓周率為十的平方根，為3.16強。這比《周髀》所記載的π=3的數值大大進了一步。直到五-七個世紀以後，印度和阿拉伯的數學家才得出這個數值。
建光元年(西元121年)，張衡轉任公車司馬令，總領天下徵詔之事。他沒有被繁雜的公務所淹沒，舉足走進物理學和機械製造學的領域之中，並且取得了許多驚人的成就。他成了當時首屈一指的機械製造專家，被人呼為“木聖”，所造器物之精妙，無與倫比。他運用差動齒輪原理，造出了指南車和記裏鼓車。他還精心製造出一隻木鳥，“假以羽翮，腹中施機，能飛數裏”，這簡直是當時世上絕無僅有的一架木製“飛機”!可惜其實物和詳細造法，也像他的許多傑作一樣，後來大多失傳了。
張衡還製造出一種測影儀器——土圭，用來研究天文、地理。他繪製成一幅《地形圖》，一直流傳到唐朝。他善畫山水、動物，與趙歧、劉褒、蔡邕(文姬之父)同為東漢四大畫家。他對音樂舞蹈等藝術也有精深研究。如在《觀舞賦》裏，他曾這樣巧妙地形容舞蹈演員的舞技：“連翩絡繹，乍續乍絕，裾似飛鸞，袖如回雪”。
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面有幾層圓圈，各圓圈可以轉動，上面刻了赤道、黃道、南北極、二十四節氣、二十八星宿等。如果用手撥動，就好像看到天上的星星在運動一樣。
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