張衡第一次任太史令共六年。在這時期內，他作了幾件重大的科學工作，發明了渾天儀，著《靈憲》和《算罔論》。
《靈憲》是一篇杰出的天文學著作。它從理論的高度對當時的天文學知識作了精要的概括和重大的發展。
當時，我國并存著幾種宇宙結構理論，而以蓋天說和渾天說最為流行。張衡是主張渾天說的。他的《靈憲》是渾天說的第一部傳世的代表作。這篇文章的開頭就說，“昔在先王，將步天路，……先準之于渾體”，明指天是個球體。后面又說到，這個球的直徑是232300里。從地到天則是此數的一半，且地的深度也是如此。天“通而度之，則是渾已”。但地則是一個近似的半球，其中地面的南北距離比天的直徑短1000里，而其東西則長1000里。天這個球是從東向西不停轉動的，地這個半球卻在天內靜止不動。至于伸出天外的地塊是否會阻礙天的轉動？張衡沒有說。顯然，他并不認為這是個問題。由此可見，張衡心目中的天不是一個堅不可破的硬殼。而且更進一步，張衡還認為天并不是整個物質世界的邊界。《靈憲》說：“過此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之謂也。字之表無極，宙之端無窮。”在天之外還有無限廣漠的宇宙世界，不過人們還不知道那些地方罷了。
說到天地，人們自然會問，它們是怎么來的呢？對此，中國古代先哲們有一個很好的非神創論思想傳統，認為是有規律地演化而成的。老子《道德經》中就說到：“道生一，一生二，二生三，三生萬物�！彼^道，是一種說不出形象和色彩，不在當時人日常經驗之內的物質；所謂一，就是氣；二，乃是陰和陽；三，則是陰、陽、天。三者結合，生出地面萬物�！兑�?系辭》則認為：“易有太極，是生兩儀。元氣已分，天地設位，清浮升乎上，沉濁居于下�！钡搅宋鳚h時代，《淮南子?天文訓》發展了而家學說，提出“道始于虛霸，虛?生宇宙。宇宙生氣。氣有涯垠，清揚者薄靡而為天，重濁者凝滯而為地。”
在《靈憲》中，宇宙演化的思想又有了新的發展。張衡把天地的形成劃分成三個階段。第一個階段稱為“溟?”。在這階段里，整個原始宇宙是“幽清玄靜，寂漠冥默，不可為象。厥中惟靈，厥外惟無。”所謂“靈”，是一種陰性的精氣，看不出任何形象，也沒有明顯的運動，因此，整個宇宙空間中一片寂靜。經過很長很長的時間，從靈中逐漸生成各種不同的氣。這些氣互相混合在一起，“并氣同色，混沌不分”。這混沌?漫的元氣，自然還沒有固定的形狀，而且也分辨不出它們的運動速度。這個混沌的階段稱之為“龐鴻”，也是一個很長很長的時期。然后來到第三個階段，稱為“太元”。這時，那片混沌同色的元氣發生了分離。清氣向外，形成了圓球形而不停運轉的天；濁氣向內，積淀凝結成為一個上面平而靜止的半球形大地。此后，由于天和地的互相結合與作用，產生了天上的日月星辰和地上的萬事萬物。
由上可知，張衡不但繼承了先輩學者的優良傳統，認為天地的形成是物質自身變化發展的自然結果，而且更加強化了這一傳統的唯物主義傾向，即，他更明確地表明了，在演化的各個階段中都是物質??氣，而且只有氣在起著作用。此外，他把渾天說引進了天地形成的思想，這也比古代演化學說中所依據的天上地下的質樸概念或蓋天說思想要來得進步。
天空中最亮的天體是日和月。月有圓缺，而日則始終是圓的。古人在長期觀察月亮的運動變化中已經認識到，太陽是自己發光的，而月亮本身則不發光，只是靠反射太陽光才發亮。公元前一世紀成書的《周髀算經》中說：“日兆月，月光乃生，故成明月�！蔽鳚h晚期的京房也說，“先師以為日似彈丸，月似鏡體；或以為月亦似彈丸。日照處則明，不照處則暗�！睂τ谶@個問題，張衡也提出了進一步的看法，“日譬猶火，月譬猶水，火則外光，水則含景。故月，光生于日之所照，魄生于日之所蔽，當日則光盈，就日則光盡也�！痹谶@里，明確指出了朔望現象取決于月亮和太陽之間的相對位置。
所謂“當日”是指月亮行到了太陽的正對面（相對于地來說）。那么，這樣說來，月在望時應該總是很明亮渾圓的了，為什么有時又有月食的現象發生呢？對此，《靈憲》解釋說，“當日之沖，光常不合者，蔽于地也。是謂?虛�！逻^則食�！彼^“月過則食”的?虛，用今天的概念來說，那是太陽照射地球時在地球背后投射出的影子。但是，張衡的地是個相當于半個天球那么大的東西，因此，這個?虛與現今的地影概念很不相同�？墒蔷烤箯埡馐窃趺聪胂蟮�，我們現在還難解釋。唯一肯定的是，張衡知道月食的原因是地遮蔽了日光。不過僅僅這一點也已經是一個重要的發現了。
除了日月外，還有五顆肉眼可見的行星在星空背景上運動，運動方向大多時候與日、月一樣，是由西向東。因此，這樣的運動稱為順行，古代又稱右旋。五大行星和我們所在的地球實際上是在各自的軌道平面上繞著太陽作橢圓軌道運動。這些運動都不是勻速的。它們的平均速度也各不相同，離太陽越遠的天體，其平均速度越小。由于行星和地球有上述這些運動，因此，在地球上的觀測者就會看到，行星有時會出現由東向西的運動，這種運動稱為逆行。在順行和逆行變更之際，行星就好象停留在天空中不動一樣，這種狀態稱之為留。這些天文現象，以及行星運動速度變化的規律，都是在16世紀波蘭天文學家哥白尼提出了太陽中心說，又經17世紀德國天文學家開普勒發現了行星運動三定律以后，才得到科學解釋的。比哥白尼早了14個世紀的張衡完全不可能達到他們那樣的程度。但是，他根據他那個時代所積累的天文觀測和日常經驗，加上他自己的天才，對行星運動的規律作出了自己的猜測。
張衡在《靈憲》中說：“文曜麗乎天，其動者七，日、月、五星是也，周旋右回，天道者，貴順也。近天則遲，遠天則速。行則屈，屈則留回，留回則逆，逆則遲，迫于天也。”他認為，行星的右旋是一種自然規律??天道。他又因為天本身是從東向西運動的，所以又提出，越靠近天，行星的運動所受到天的影響也就越大（“迫于天”），這就可以解釋行星速度為什么會放慢下來，甚至可以完全停止，乃至倒退（逆行）。這種天的影響力使行星速度發生變化的想法，是對控制天體運動的力的一種思辨性解釋。張衡的解釋是早期中國天文學史上探求天體運動變化的物理機制的最后一個企圖。這種企圖由于整個科學發展狀況的條件限制，在古代中國就沒有可能得到發展和解決。正因為如此，張衡的解釋努力應得到后人的欽佩，而不因其牽強不科學而忽視。
五星中火、木、土三行星離太陽比離地要遠。金、水二星則高太陽比離地要近。前三者稱為外行星，后二者稱內行星。張衡當時還不能測定行星與太陽的距離，他當然無法說出何為內行星，何為外行星（這問題也是哥白尼開始才解決的）。但是他已經知道三外行星速度比太陽（實即地球）慢，而二內行星則比太陽快。他還觀測到“行遲者覿于東”，即三行星都是先在早晨從東方地平線上出現。以后太陽離它越來越遠，過相當時間后太陽反從西面趕上外行星，終于使它在黃昏時被淹沒在太陽光中。直到太陽趕過它相當遠后，它又在早晨出現在東方地平線上。而內行星則不同，它不但會在早晨出現于東方地平線上，也會在黃昏出現在西方地平線上，以后仍然在黃昏消失于太陽光中。因此張衡稱之為“行速者覿于西”。于是他借用陰陽觀念說道：“覿于東屬陽”，“覿于西屬陰”。并且用“日與月此配合也”，把五星分成二類：“攝提（木星）、熒惑（火星）、地候（土星）見晨，附于日也。太白（金星）、辰星（水星）見昏，附于月也。二陰三陽，參天兩地，故男女取焉�！彪m然沒有內、外行星的概念，但兩者是區分得清清楚楚的。而且其中終究運用了某種距離的概念，這是在中國古代天文學中極為少見的。循此以往，未必不能發展出正確的概念來。很可惜的是，以后再沒有人往這個方向去努力。
關于恒星，張衡認為是：“地有山岳，以宣其氣，精種為星。星也者，體生于地，精成于天�！边@個見解當然是錯誤的，它是當時已流行了數百年的天地對應思想的反映�！鹅`憲》中就說到：“在天成象，在地成形。天有九位，地有九域；天有三辰，地有三形；有象可效，有形可度。情性萬殊，旁通感薄。自然相生，莫之能紀�！边@種尺地之間的對應，純粹是附會的，是毫無道理的。例如，天的九位（九天）和地的九域（九州）全都是人為的劃分。這種對應純屬數字偶合。不過，話得說回來，《靈憲》所說的星“體生于地，精成于天”的話卻也不是全無原由的�！鹅`憲》又說到“夫三光同形，有似珠玉，神守精存，麗其職而宣其明；及其衰，神歇精?，于是乎有隕星。然則奔星之所墜，至地則石矣。”因為天上墜落的星星（隕星）掉到地上的都見到是石頭（隕石），所以使古人、起了錯覺，認為星星原是地上之物。那么，為什么會升到天上的呢？這就自然會解釋成是地上山岳（山多石頭）的精氣上升就成為星，而星星隕落也自然是“神歇精致”的結果了。因此，不管這種解釋是多么的荒謬，但卻反映了古人對隕石的觀察。要知道在歐洲，一直到十七世紀，還不認為隕石是從地球以外的空間掉入地面的。
關于恒星，《靈憲》還說到它們的命名計數：“眾星列布，其以神著，有五列焉，是為三十五名。一居中央，謂之北斗�！牟妓姆剑瑸槎怂��！型庵伲Ｃ髡甙儆卸�，可名者三百二十，為星二千五百，而海人之占未存焉。征星之數，蓋萬一千五百二十�！边@里給出的星官命名數和星數都大大超過了《漢書?天文志》的記載。這篇寫作時代離張衡不遠的志文中也有個數字：“凡天文在圖籍昭昭可知者，經星常宿中外官凡百一十八名，積數七百八十三星�！笨梢�，張衡在當太史令的期間是親自做過恒星的觀測、命名、綜合（其他前人所定的星官）和計數工作的。張衡所定的星官體系甚至比后來三國時陳卓綜合石氏、甘氏和巫咸三家星官而成的星官體系還要龐大。后者只有星官283官，星數1464星�？上У氖恰鹅`憲》中沒有記錄下張衡星官的詳情，其他可能記下詳情的張衡著作也未有留存。不過近年有人在南宋鄭樵編的《通志?天文略》中找到了一些張衡關于某些星官的描述及其星占文字的殘篇。只是鄭樵是按《步天歌》星官系統??陳卓系統的重新組合??來寫的，所以，只有與上述283官相合的張衡星官才會被引入《通志》。至于這個體系之外的張衡星官那就只有寄希望于未來的考古發現了。此外，張衡所說的征星之數，則并不是實際觀測的結果（在整個星空中，人眼所能看到的恒星，總數不過6千多顆，其中還包括了南極附近中國古代所一直看不見的天區中的恒星），而是從《易?系辭》中說的“萬物之數”來的。這是天地對應思想的又一個反映。
張衡所作的渾天儀是一種演示渾天說的儀器，故有此名。
《晉書?天文志》中記載了一段葛洪論天的話，其中說到，“張平子既作銅渾天儀，于密室中以漏水轉之。令伺之者閉戶而唱之。其伺之者以告靈臺之觀天者曰：‘璇璣所加，某星始見，某星已中，某星今沒’，皆如合符也�！奔热皇窃诿苁抑杏玫模斎徊豢赡苁怯^測天休的儀器，而只能是一種演示儀器。這件儀器的細節在《晉書?天文志》的“儀象”中有更具體的記載：“張衡又制渾象，具內外規、南北極、黃赤道，列二十四氣、二十八宿中外星官及日月五緯，以漏水轉之于殿上室內，星中出沒與天相應。因其關戾，又轉瑞輪?莢于階下，隨月盈虛，依歷開落。”這里又稱張衡的渾天儀為渾象。事實上在早期，渾天儀、渾儀和渾象這些名稱是混用的，即，凡是表現渾天說的儀器都可以稱之為渾天儀或渾儀；而不象隋唐以后，名稱逐漸規范，專以觀測儀器稱儀，而以表演儀器稱象。
從《晉書》的上述記載可知，張衡的渾天儀，主體是一個大圓球。與現今的天球儀相仿。球上畫了張衡所定的星座和星星，也畫了赤道、黃道。黃道上則繪出二十四節氣。在大球相當于南、北極的地方，伸出一根轉動軸。這根軸架在一個圓環形支架上。圓環循所在地的子午面方向直立著。轉動軸北高南低，與地平面所夾的角度正好是所在地的地理緯度。如果在子午圓環正中間設一個水平放置的大圓環，代表所在地的地平面，那么，轉動大球，就可以表演星星的東升西落。球上有一部分星星永遠在地平線以上不會下落，其極限是一個以北極為圓心、當地緯度為半徑的小圓，稱之為內規。反之，以南極為圓心、當地緯度為半經的小圓，則為球上永不升到地面以上的部分的極限，這圓就稱為外規。這個大球，有一個齒輪系連接著。用漏刻流出的水推動這個齒輪系，就可帶動大球自東向西轉動，只要齒輪系轉動速度調節適當，就可使球上天體的東升西落和中天現象與室外的實際天象一致。
按《晉書》的記載，張衡的大球上還有日、月、五星。這些天體除了隨著天球東升西落外，還有各自的軌道運動。這些軌道運動和天球的東升西落方向都不一致，因此，要象表演恒星的東升西落那樣來表演日、月、五星在星空背景上的運動，是一個非常復雜的機械工程問題。現代研究家都認為，張衡的時代還不能解決這樣復雜的問題。人們認為，張衡渾天儀上的日、月、五星實際上是一種可以用手搬動的附加物，它們能隨天球東升西落，但是是由儀器操持者隨時按照它們在星空背景上的移動來搬動它們在渾天儀大球上的位置。
雖然張衡的儀器尚不能完全自動地表演日、月、五星的運動，但是，用一個機械系統來取得與天球旋轉相同步的機械運動，這本身就是一項偉大的發明。它在當時世界上是絕無僅有的。從張衡開始，我國誕生了一個制造水運儀象的傳統。由于直到二十世紀下半葉原子鐘發明和采用之前，時間的計量都是以地球的自轉，也即天球的轉動為基礎的，因此，張衡的發明實際上就成為后世機械鐘表的原始鼻祖。
有意思的是，張衡渾天儀中還有一個叫做“瑞輪?莢”的附件。所謂?莢，是一種神草，傳說長在堯的居室階下。隨著月亮的出現，一天長出一個莢，最多十五個莢。過了月圓之后，又一天掉一個莢。這樣，?莢就可以指示出月相和一個太陰月中的日期。這個傳說實際是反映了堯時天文歷法的進步。張衡卻根據這種傳說制造了一種機械裝置，所謂“隨月盈虛，依歷開落”，其作用就相當于現今鐘表中的日歷顯示。
既然渾天儀能和天球的轉動相合得絲絲入扣，“皆加合符也”，可見它的穩定性相當高。因為渾天儀是用刻漏流出的水推動的，所以可知張衡的刻漏技術也很高明。
刻漏是我國古代最重要的守時和計時儀器。從目前出土的三件漢代刻漏來看，它們都是所謂“沉箭式單漏”，都鑄造于西漢時代。這種刻漏僅只有一個盛水的容器。器底部伸出一根小管，向外滴水。隨著容器內水的流失，水面降低，由浮在水面的箭舟所托著的刻箭也隨之下降，由此可讀出時刻。沉箭式單漏的計時準確性主要決定于漏水流出的速度是否均勻。而水流出速度又與小管處的水壓成正比，即，隨著水的流失，刻漏容器內的水而下降，水的流出速度也會變慢。用這樣的刻漏來推動渾天儀，渾天儀的轉動就會越來越慢，因而也就不可能較長久地保持渾天儀與天球的同步關系。
為了提高刻漏的準確性，古人想了許多辦法。首先是把沉箭式改為浮箭式，即把刻漏滴出的水流到另一個柱形容器內，把箭舟和刻箭也放在這聚水器內，以刻箭的上升來反映時刻的推移。第二步是在刻漏之上再加一具刻漏，使下面的刻漏中不斷有水來補充所滴出的水，這樣就可使下刻漏水面的下降大大推遲，從而提高下刻漏出水速度的穩定性。這樣的刻漏稱為二級刻漏。如果在上刻漏之上再加一具刻漏，那么上刻漏的出水速度也就比較穩定，因而下刻漏的出水速度就更加穩定。這就成了三級刻漏。當然，還可以組成四級或四級以上的刻漏，這是后話。關鍵是從單漏到二級刻漏這一步。但這一步的發明，在文獻和考古發掘中都沒有發現什么資料和證據。
不過，在一篇題為《漏水轉渾天儀制》的文章中描述了張衡所用的刻漏是一組三級的刻漏。這篇文章已佚，只在唐代的《初學記》卷二十五中留有三段殘文�！冻鯇W記》所引殘文題名前還有“張衡”二字。因此，很可能，殘文是張衡的原作。這三段文字如下：“以銅為器，再疊差置，實以清水，下各開孔。以玉虬吐漏水入兩壺，右為夜，左為晝�！薄埃ㄉw上又）鑄金銅仙人，居左壺；為金胥徒，居右壺�！薄埃ń裕┮宰笫职鸭�，右手指刻，以別天時早晚�！彼^“疊置”就是指二具刻漏上下放置，“再疊”，則當然是又加上第三具刻漏了。至于下面的聚水器（壺）分左、右兩把，那是因為古代的時刻制度夜間的和白天的有所不同，因而刻箭上的刻度也有不同。所以張衡干脆就用兩把聚水器。從張衡之前沒有多級刻漏的記載這個事實，我們也許可以推斷，正是張衡作出了從沉箭漏到浮箭漏，又從單漏到多級漏這樣兩步卓越發明的，而且是從單漏直接跨上了三級漏的。無論如何，張衡對我國古代刻漏技術的發展是有其貢獻的。
《算罔論》一書久已佚失。唐代李賢在注《后漢書》時就指出：“衡《集》無《算罔論》。蓋網絡天地而算之，因名焉�！币驗榭床坏健端阖枵摗罚蛻岩伤静皇且徊繒�，而是《靈憲》一書的補充名詞，即，應作《靈憲算罔論》�？墒恰逗鬂h書?張衡傳》文末再次述其著作名時仍只稱《靈憲》，且后世引張衡著述的也無《靈憲算罔論》之稱，李賢所說是沒有根據的�！端阖枵摗窇菃为毜囊槐緯�。查《九章算術?少廣章》劉徽注開立圓術時引有“張衡算”若干言，這當是《算罔論》的遺文。從這些遺文得知，張衡第一個否定了對圓周率的古代粗疏認識，提出了的新值。這個數值雖然仍很粗略，但卻是進步的開始。由此才有劉徽的推進，并最后導致祖沖之的杰出發明。
安帝建光元年（公元121年），張衡去史職，改任公車司馬令。這是個掌管宮闕南門，品級和太史令相同的官職，雖然他離開了太史令職位，但仍關心天文歷法工作。延光二年（公元年），東漢朝廷內部發生了一場是否繼續頒行《（后漢）四分歷》的大討論。張衡曾積極參加了這場討論。
《（后漢）四分歷》是為了糾正以前行用的《太初歷》的疏誤，從光武帝建武八年（公元32年）起醞釀，到章帝元和二年（公元85年）經過科學而慎重的大討論之后才得頒行的�！叮ê鬂h）四分歷》在天文數據和計算方法等方面都有許多改進。延光二年的討論之所以發生，是由于有人提出，根據圖讖，當改用甲寅元《（后漢）四分歷》是用文帝后元三年為元，歲在庚辰）；又有人提出，章帝改歷以后“災異卒甚，未有善應”，而漢武帝用《太初歷》后，“享國久長”，故應復用《太初歷》。這兩種觀點提出以后，張衡和另一位學者周興一起，立即和他們展開了辯論。數次辯論，對方或者無可回答，或者回答失誤。史書沒有留下這些一定是很精彩的辯論記錄，但可以推測，張衡他們是用天文學的科學論據和對方的迷信觀念作的辯駁，因為張衡、周興二人在駁倒上述二種改歷要求之后，又根據多少年的天文觀測記錄，提出應該行用一種比《（后漢）四分歷》更準確的歷法：《九道法》。張衡、周興的提議觸發了一場大規模的討論，進入討論的公卿有一百多人。很可惜，張衡等人的建議沒有被采納，不過要求改用甲寅元或《太初歷》的提議也徹底被否決了。《九道法》現已無傳，只知它是在西漢時代出于民間的一種歷法，西漢末年劉歆曾對它作過改進和推廣。這種歷法最主要的是其中提出了定朔的概念。而在官方的歷法中，直到東漢末年劉洪的《乾象歷》中才有定朔概念。定朔概念的產生是中國歷法史上的一大進步。由此可見，張衡的科學見解是非常高明的。
經過公車司馬令五年的轉折，從順帝永建元年（公元126年）起，張衡又回任太史令。這次任職直到陽嘉二年（公元133年）才得升遷。在這長達七年之久的時間內，他作出了一件震爍古今的偉大發明??候風地動儀。這是世界上最早的地震儀。這件儀器鑄成于陽嘉元年（公元132年）。《后漢書?張衡傳》中留下了一段有關候風地動儀的簡要記載。依據這段珍貴的文字，今人王振鐸復原了這件馳名中外的古地震儀。
張衡還作了另外一些機巧的器械。但其制作年代不明，且其制作詳情也都已失傳。不過，從傳下來的一些簡單描述中也可推知，其機構一定是很巧妙的。
張衡制造過一種能飛的木鳥，類似今天的模型飛機。《廣博物志》引《文士傳》云：“張衡嘗作木烏，假以羽翮，腹中施機，能飛數里�！憋w數里之說或許是夸張。不過即使只有數丈，那也是一個杰出的成就了，因為那是世界上第一個機械飛行器。
張衡制造過指南車。《宋書?禮志》云：“指南車，其始周公所作，……至于秦漢，其制無聞。后漢張衡始復創造。漢末喪亂，其器不存�！币蚨髞聿芪簳r馬鈞又一次作了再創造。
張衡還作過一種有三個輪子的器械，《傅子》云：“張衡能令三輪獨轉。”張衡在所作《應間》中也說：“參輪可使自轉。”不需外力而純粹的自轉是不可能的，這是件什么東西還難斷定。今人孫文青《張衡年譜》引宋王應麟的話，認為是記里鼓車。記里鼓車的特點是能反映車所行經的里程，與“獨轉”、“自轉”所強調的似乎是兩回事。或許，這更象是一架風車，或水磨，因為它們是借助于自然的風力或水力驅動的，故仍可稱之為“自轉”。
無論如何，張衡被后人譽之為“制作侔造化”（崔瑗《河間相張平子碑》），“善機巧”（《后漢書?張衡傳》），“性精微，有功巧藝”（《北堂書鈔》卷五十五引《文士傳》），是完全當之無愧的。
張衡山研究過地理學，根據他研究和考察的心得，畫過一幅地形圖。唐張彥遠《歷代名畫記》卷三云：“衡嘗作地形圖，至唐猶存。”
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