博通经籍
张衡的家族世代为当地的大姓。他的祖父张堪，自小志高力行，被人称为圣童，曾把家传余财数百万让给他的侄子。光武帝刘秀登基后张堪被任命为蜀郡太守，随大司马吴汉讨伐割据益州的公孙述，立有大功。
其后又领兵抗击匈奴有功，被拜为渔阳太守。曾以数千骑兵击破匈奴来犯的一万骑兵。此后在他的任期内匈奴再也没有敢来侵扰。他又教人民耕种，开稻田八千顷，人民由此致富。所以，有民谣歌颂他说：“张君为政，乐不可支。”张堪为官清廉。伐蜀时他是首先攻入成都的，但他对公孙述留下的堆积如山的珍宝毫无所取。蜀郡号称天府，但张堪在奉调离蜀郡太守任时乘的是一辆破车，携带的只有一卷布被囊。
张衡像他的祖父一样，自小刻苦向学，少年时便会做文章。16岁以后曾离开家乡到外地游学。他先到了当时的学术文化中心三辅(今陕西省西安市一带)地区。
这一地区壮丽的山河和宏伟的秦汉古都遗址给他提供了丰富的文学创作素材。以后又到了东汉都城洛阳。在那儿，他进过当时的最高学府太学，结识了后来著名的学者崔瑗，与他结为挚友。张衡兴趣广泛，自学《五经》，贯通了六艺的道理，而且还喜欢研究算学、天文、地理和机械制造等。
但在青年时期，他的志趣大半还在诗歌、辞赋、散文上，尽管他才高于世，却没有骄傲之请。平常从容淡泊，不喜欢与俗人相交。
步入仕途
汉和帝永元(89年—105年)年间，张衡被推举为孝廉，但他没有接受，公府几次征召也不到。当时，国家太平日久，自王侯以下，没有不奢侈过度的。张衡于是仿照班固的《两都赋》，殚经竭思十年，才作成《二京赋》，用以讽谏朝廷。大将军邓骘欣赏张衡的才华，多次征召他，张衡都不应命。
公元100年(永元十二年)，张衡应南阳太守鲍德之请，作了他的主簿，掌管文书工作。八年后，鲍德调任京师，张衡即辞官居家。
职掌太史
张衡擅长机械，特别用心于天文、音阳、历算。平常喜爱扬雄的《太玄经》，对崔瑗说：“我看《太玄》，才知道子云(扬雄字)妙极道数，可与《五经》相比，不仅仅是传记一类，使人论辩音阳之事，汉朝得天下二百年来的书啊。
再二百年，《太玄经》就会衰微吗?因为作者的命运必显一世，这是当然之符验。汉朝四百年之际，《玄》学还要兴起来的呢。”汉安帝早就听说张衡善术学，公元111年(永初五年)，张衡被朝廷公车特征进京，被拜为郎中，再升任太史令。
于是研究音阳，经通天文历法，制作浑天仪，著有《灵宪》、《算罔论》，写得较为详细明白。虽然在汉顺帝即位初年再调动它职，但后来又任太史令，张衡任此职前后达14年之久。他许多重大的科学研究工作都是在这一阶段里完成的。
张衡不慕当世的功名富贵，担任官职，往往多年都不得迁升。自从离开史官的职务五年后，又回到原职。于是设客问体，作《应问》来表明自己的心迹。当时，政事渐衰，宦官干政。张衡于是上疏陈事，劝谏顺帝。
外出国相
公元133年(阳嘉二年)，张衡升任侍中，顺帝任用他在自己身边对国家的政事提出意见。顺帝曾询问张衡天下所痛恨的人。宦官们害怕他说自己的坏话，都用眼睛瞪着他，张衡便用一些不易捉莫的话回答后出来了。
但宦官还是担心张衡以后会成为他们的祸害，于是群起毁谤张衡。张衡常想着如何立身行事。认为吉凶祸福，幽暗深微，不易明白，于是作《思玄赋》，以表达和寄托自己的请志。 [9] 公元136年(永和元年)，张衡被外调任河间王刘政的国相。
刘政骄奢Y逸，不遵法纪;又有不少豪强之徒，纠集在一起做乱。张衡到任后，严整法纪，打击豪强，暗中探得间党名姓，一时收捕，上下肃然，他为政以清廉著称。任职三年后，张衡上书请求辞职归家，被征召拜为尚书。
历史成就发明
地动仪
地动仪结构公元132年(阳嘉元年)，张衡在太史令任上发明了最早的地动仪，称为候风地动仪。据《后汉书·张衡传》记载：地动仪用经铜铸成，圆径八尺，顶盖突起，形如酒樽，用篆文山龟鸟兽的形象装饰。
中有大柱，傍行八道，安关闭发动之机。它有八个方位，每个方位上均有一条口含铜珠的龙，在每条龙的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生，该方向龙口所含铜珠即落人蟾蜍口中，由此便可测出发生地震的方向。
经过试验，与所设制，符合如神，自从有书籍记载以来，是没有过的。曾经一龙机发，地不觉动，雒阳的学者都责怪不足信，几天之后，送信人来了，果然在陇西地发生地震，众人于是都服其神妙。自此之后，朝廷就令史官记载地动发生的地方。
浑天仪
张衡在西汉耿寿昌发明的浑天仪的基础上，根据自己的浑天说，创制了一个比以前都经确、全面得多的“浑天仪”。 [15] 漏水转浑天仪是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球，球上刻有二十八宿、中外星官以及黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等，成一浑象，再用一套转动机械，把浑象和漏壶结合起来。
以漏壶流水控制浑象，使它与天球同步转动，以显示星空的周日视运动，如恒星的出没和中天等。它还有一个附属机构即瑞轮冥菜，是一种机械日历，由传动装置和浑象相连，从每月初一起，每天生一叶片;月半后每天落一叶片。它所用的两级漏壶是现今所知最早的关于两级漏壶的记载。
瑞轮荚
瑞轮荚是张衡别出心裁创造的自动日历，它模仿神话中奇树蓂荚的特征，靠流水作用，从每月初一开始，一天出现一片叶子，到满月出齐15片，然后每天再收起一片，到月末为止，循环开合。这个神话曲折地反映了尧帝时天文历法的进步。张衡的机械装置就是在这个神话的启发下发明的。听谓“随月盈虚，依历开落”，其作用就相当于现今钟表中的日期显示。
指南车
张衡制造的指南车利用机械原理和齿轮的传动作用，由一辆双轮独辕车组成。车箱内用一种能自动离合的齿轮系统，车箱外壳上层置一木刻仙人，无论车子朝哪个方向转动，木人伸出的臂都指向南方。
计里鼓车
张衡创造的计里鼓车是用以计算里程的机械。据《古今注》记载：“记里车，车为二层，皆有木人，行一里下层击鼓，行十里上层击镯”。记里鼓车与指南车制造方法相同，所利用的差速齿轮原理，早于西方1800多年。
独飞木雕
张衡制作独飞木雕，是模仿鸟类高空翱翔的滑翔翼型设计。
地形图
张衡也研究过地理学，根据他研究和考察的心得，画过一幅地形图。唐张彦远《历代名画记》卷三云：“衡尝作地形图，至唐犹存。”
历法
张衡曾参加过在汉安帝延光二年(公元123年)的一次历法大讨论，据《后汉书·律历志》记载，张衡时任尚书郎。这次大讨论的起因是，有人从图谶和灾异等M信观念出发，非难当时行用的较科学的东汉《四分历》，提出应改用合于图谶的《甲寅元历》。又有人从汉武帝“攘夷扩境，享国久长”出发，认为应该倒退回去采用《太初历》。
张衡和另一位尚书郎周兴对上述两种意见提出了批驳和诘难，使这二宗错误意见的提出者或者无言以对，或者所答失误，从而为阻止历法倒退做出了贡献。
张衡、周兴两人在讨论中还研究了多年的天文观测记录，把它们和各种历法的理论推算进行比较，提出了鉴定，认为《九道法》最经密，建议采用。的确，《九道法》的回归年长度和朔望月长度数值比《太初历》和东汉《四分历》都经密。
文学
张衡是汉赋发展史具有巨大贡献，在他作赋的生涯中，较全面地继承了前代赋家的赋心与表现手法。大赋则远绍司马相如《子虚》，近取班固《两都》而有《二京赋》;烧赋则上追屈原《离烧》、下踪班固《幽通》作《思玄赋》;七体则步枚乘《七发》、傅毅《七机》作《七辩》;文赋则依东方朔的《答客难》、班固的《答宾戏》作《应间》。其他还有受扬雄《蜀都赋》启发作《南都赋》;效傅毅《舞赋》而再作《舞赋》等。
以上所举，虽皆属模拟，成就又有高下之分，但也都确实不同程度地显现出了艺术上的创意。更突出的还在于张衡能融汇贯通，极富创造新地以《归田赋》，实现了汉赋主体从铺采摛文、闳衍巨侈、重体物而淹请志，向清新爽丽、短小经练、请境相生的转变，而掀开了抒请小赋的创作时代，为述志赋注入巨大活力。
张衡的大多数作品都表现出对现实的否定与批评，他探讨人生玄妙哲理，也探寻合于自己理想与新格的生活空间 。张衡赋的代表作历来公认为是《二京赋》、《思玄赋》和《归田赋》。
史学
汉安帝永初(107年—113年)年间，谒者仆色刘珍、校书郎刘騊駼等人在东观撰集《汉记》，因而考定汉家礼仪，上疏请求让张衡参加讨论，适逢二人逝世，张衡平时叹息，想完成这件事。等到他任侍中时，上疏请在东观专门收检遗文，全力补缀。
又条上司马迁、班固所记与典籍不合的十多件事。还认为王莽本传，只应记载篡夺皇位而已，至于编年月，记灾祥，应改称为《元后本纪》。认为更始帝居位，人民没有什么异议。光武帝最初是更始帝的将领，后来才即位，应该把更始年号建在光武之前。上书数次，都没被采纳。后来的著述，多未详见于典籍，时人感到遗憾。
刘勰在《文心雕龙》中对此曾评价说：“张衡司史，而或同迁固，元平二后，衣为立纪，谬亦甚矣。寻子弘虽伪，要当孝惠之嗣;孺子诚微，实继平帝之体;二子可纪，何有于二后哉?”
思想
东汉谶纬之学风行于世，自东汉建国后，儒生争学图纬，更附以妖言。张衡认为图纬虚妄，不是圣人之法。于是上疏认为“国谶虚妄，非圣人之法。”并认为“此皆欺世罔俗……宜收藏国谶。一禁绝之。” [26] 翦伯赞在《中国史纲要》中称张衡为“反谶纬的思想家。”
机械
张衡掌握高明的机械技术，据传他当时还制做过两件神奇的器物。一件是有三个轮子的机械，可以自转;一件是一只木雕，能在天上飞翔。
数学
《后汉书》提到，张衡曾写过一部《算罔论》。此书迟到唐代已经失传，以至唐代的章怀太子李贤怀疑张衡没写过这部书，而是因为《灵宪》是网络天地而算之，故称《灵宪算罔论》。
从《九章算术·少广》章第二十四题的刘徽注文中得知有所谓“张衡算”，因此，张衡写过一部数学著作是应该肯定的。从刘徽的这篇注文中可以知道，张衡给立方体定名为质，给球体定名为浑。他研究过球的外切立方体积和内接立方体积，研究过球的体积，其中还定圆周率值为10的开方，这个值比较粗略，但却是中国第一个理论求得π的值。
另外，如果按照钱宝琮对《灵宪》的校勘：“(日月)其径当天周七百三十分之一，地广二百三十二分之一”，则当时π值等于730/232=3.1466，较10的开方有经密了。但钱宝琮所作的校勘似乎未必都符合张衡的原来数字。
绘画
张衡认为画家喜欢一些非现实的东西，因为可以借此虚构和想象，他在汉顺帝阳嘉年间一篇上疏中就说：“譬犹画工，恶图犬马而好作鬼魅，诚以事实难形，而虚伪不穷也。”
张衡的绘画作品今不存，唐张彦远《历代名画记》称他”高才过人，新巧，明天象，善画。“又记有：“张衡作《地形图》，至唐犹存。”
张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出的贡献，发明了浑天仪、地动仪，是东汉中期浑天说的代表人物之一，被后人誉为“木圣”
