《灵宪》是中国古代重要的天文着作，里面提出了“宇宙无限”的观点，还明确指出月亮本身不发光，月光是反射的太阳光，月亮圆缺是因为太阳照射的角度不同。他还在书中记录了两千五百颗恒星，这在世界范围内也是领先的。

公元117年，张衡用精铜铸造了浑天仪。这台仪器直径八尺，里外有三层，下面有底座固定，上面连接着北极星，通过水流提供动力，转动机械轮轴，仪器上的星辰出没轨迹和天空中的实际情况完全吻合。哪怕把它放在密室里，也能通过仪器刻度，准确知道某一时刻星辰的位置，堪称当时最先进的天文仪器。

公元121年，张衡调任公车司马令，负责掌管皇宫南门，处理官吏百姓的奏章、各地的贡品和朝廷的征召事务。虽然离开了太史令的职位，但他并没有停止天文研究，还积极参与历法改革，主张用“月行九道法”来推算每月初一的日期，也就是认为月亮除了绕地球运行，还会在黄道之外的其他轨道运行。

公元126年，张衡再次担任太史令。当时东汉频繁发生地震，从公元107年到125年的十八年间，就发生了二十二次大地震，常常出现地裂山崩、江河泛滥的情况，百姓流离失所，苦不堪言。

公元132年，张衡经过四年的潜心钻研，终于造出了候风地动仪。这台仪器用精铜铸成，直径八尺，盖子隆起，形状像个大酒樽，外面雕刻着篆文、山龟、鸟兽等图案，十分精美。仪器内部有一根粗大的中心柱，叫做“都柱”，周围延伸出八条通道，设置了机关。外面有八条龙，龙头分别对着八个方向，嘴里都衔着一颗铜丸，龙的正下方各有一只蟾蜍，张着嘴准备承接铜丸。仪器的机械装置都隐藏在樽里面，盖子盖得严严实实，没有一点缝隙。

如果发生地震，仪器就会震动，触发对应方位的龙的机关，龙嘴张开，铜丸就会掉落到蟾蜍嘴里，根据龙的方向，就能立刻知道地震发生的方位。

地动仪制成后，京城的学者们都不相信它能测出地震。公元134年十一月壬寅日，地动仪中对着陇西方向的龙突然吐出了铜丸，可当时洛阳城里的人根本没感觉到地震，学者们都嘲笑仪器失灵了。没想到几天后，驿站传来消息，陇西果然发生了大地震。这下大家都心服口服，纷纷称赞地动仪“验之以事，合契若神”。

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公元133年，张衡升任侍中。当时宦官专权，朝政混乱，张衡多次直言劝谏汉顺帝：“从和帝时期开始，宦官就掌握了实权，后来邓太后临朝听政，权力又落到外戚手里，朝政越来越混乱，应该把权力收回来，清理身边的奸佞之人。”

针对当时盛行的图谶之学——也就是用预言、符兆来解释世事的迷信学说，张衡也上书严厉批评：“图谶都是虚假的，不是圣人的道理。刘向父子负责校对皇家藏书，整理各类典籍，从来没见过所谓的谶书。直到成帝、哀帝之后，这种东西才出现，都是别有用心之人用来蛊惑百姓的。”