青年时期对日月星辰的观察，激发了张衡探索天文学奥秘的决心。后两度出任中央主管天文的太史令，在这方面取得了辉煌的成就。据《辞海》：他第一次正确地解释了月食是由于月球进入地球的阴影造成的；观测记录了中原地区能看到的2500颗星辰，绘制了我国第一张对比图完整星图；他创造了世界上第一台风力地震仪；他创造了导车、自动鼓车和能飞数里的木鸟。想到知识，张衡总觉得自己知识不够。未满17岁时，他告别父母，独自到外地拜师求学。在古都长安，他游览了当地名胜古迹考察古迹，考察周边山川、物产、风土人情、人情世故。当时在京都洛阳，他结识了很多有学问的朋友，其中一位是精通天文、数学、历法的崔元，也是一位著名的书法家。张恒前来向他请教。正是因为他虚心好学的精神，使他在各方面都受益匪浅。除了在天文学方面的杰出成就外，他在地震学方面的研究也享誉世界。他创造的后峰地震仪比欧洲同类仪器早1700多年。他也是东汉六大画家之一。他的《二都赋》被人们誉为“博思博说，十年可成”。