少年时代对日月星辰的观察，激发了张衡努力探索天文奥秘的决心。后来他两度出任中央政府专管天文的太史令，在这方面取得了辉煌的成就。

据《辞海》所记：他首次正确解释月食是由月球进入地影而产生;观测和记录了中原地区能看到的2500颗星星，并且绘制了我国第一幅较完备的星图;他创制了世界上第一台候风地动仪;创造了指南车、自动记里鼓车和能飞行数里的木鸟。

渴求知识的张衡总是感到自己知识的不足，不满17岁时，他辞别父母独身一人到外地访师求学。在古都长安，他游览了当地的名胜古迹，考察了周围的山川形势、物产风俗和世态人情。在当时的京都洛阳，他结识了不少有学问的朋友，其中有一个叫崔瑗，精通天文、数学、历法，还是很有名气的书法家。张衡登门向他求教。

正是由于他这种虚心好学的精神使得他在各方面获益匪浅。除了在天文学方面有杰出成就外，在地震学的研究上也是举世瞩目的，他创制的候风地动仪比欧洲相类似的仪器问世早1700多年。他还是东汉六大画家之一，他写的《二京赋》“精思博会，十年乃成”，为人们所津津乐道。