张衡虽也是出身名门，祖父曾做过几年地方官，但不久就家道中落，待他降世时,家中已到了需要节衣缩食的窘境了。在他10岁时父亲因病亡故，幸得疼爱他的舅舅把他送入学馆。聪颖过人的张衡很快崭露才华，到17岁那年他离别河南故土来到了京城“西京”（现西安）寻师访友，不久又进入“东京”（现洛阳）的“大学堂”，学问更是突飞猛进。

    古代的“浑天说”

　　公元111年早已“观太学，通五经，贯六艺”的张衡应召出任“郎中”（低级文官），4年后升为“太史令”，这是执掌天文、历法、气象、地震等的高级官员，正是这个工作，使他的才华得到了最充分的展示。

　　在此期间，他写下了不朽的名著——《灵宪》，书中从哲学的高度全面地阐述了天、地的形成及其结构，并以此来说明日月星辰的本质与运动，使古代的“浑天说”提高到理论的高度。虽然他也认为“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄。”但他相信“宇之表无极，宙之端无穷。”也就是认为宇宙在空间上和时间上都是无限的，明显具有朴素的辩证因素。

　　《灵宪》中已经采用了赤道、黄道、北极、南极等概念来解释行星的运动，首次用行星的距离来阐述行星运动的独到见解：“近天则迟，远天则速”——离地球近者运动得快，远者运动得慢。他还做了行星归类的尝试：认为月亮、水星、金星属“阴”，故应归为“附于月”；而太阳、火星、木星、土星则属“阳”，所以“附于日”。

张衡墓

 　　张衡已清楚地认识到月亮本身并不发光的道理，他形象地把日月比喻为火与水：“日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则会景。”所以“月光生天日光之所照，当日则光盈，就日则光尽”。这表明张衡已懂得月亮的圆缺是由于太阳所照月面部位不同而引起的表面现象，于是他进一步指出月食的原因是：“当日之，光常不合者，蔽于地也，是谓虚。在星星微，遇月则食。”而这个“虚”实际上就是指地球的影子。

我国现存最早的地方天文台——江西省宜春市袁州谯楼前的张衡地动仪

　　　　　
　　张衡本人也非常重视实际的天文观测，他本人直接兼任了“灵台丞”，统一规划、指导与参加灵台的观测。灵台实际上就是汉代的大型天文台，43个人分为“候星”（观测恒星的升落及中天）、“候日”、“候晷影”（观测太阳及日影）、“候钟律”（测时，报时）、“候气”（观察天气，计云量、雨量）及“候风”（测风向、风速）。为此他亲自设计制造了“漏水转浑天仪”，这个精巧的仪器与计时漏壶联在一起，利用了齿轮使它均匀地转动，这样人在室内通过观看浑天仪就能知晓当时外面的实际天象：什么星正从东方地平线升起，哪颗星已没入西方地平线，某一星现正在天上什么方位……

　　张衡还从实际观测中总结出在当时中原地区肉眼可见的恒星为25600颗左右，他测量所得的太阳与月亮的角直径与现代值相差也不大。他的《思玄赋》也是世界上第一首优美的畅游宇宙的科学幻想诗。