張衡，出生於名門望族，他的祖父是當時的蜀郡太守張堪。小時候的張衡就善於做文章，精通五經，通曉六藝。他學識淵博，才華橫溢，不驕不躁，並不認為自己有什麼過人的才藝。相對於功名利祿，爭權奪利，他更喜歡過平靜、恬淡的生活。
雖然有過多次做官發財的機會，都被張衡婉言謝絕了。張衡最喜歡機械製作，尤其善於鑽研天文知識、陰陽之學和歷算。平時喜歡沉溺在揚雄的《太玄經》中。漢安帝向來聽說張衡對天文和陰陽很有研究，便由公車官署徵召，並授予張衡郎中官職，後來又晉升為太史令，專門研究日月星辰和天體運轉的規律。
他在天文這方面頗有造詣，以此來平定四時，研發創製了用來觀測和計算天體位置的渾天儀，並撰寫了天文學巨著《靈憲》和網羅天地計算的《算罔論》。漢順帝初年，張衡專心於自己的科研工作，不貪戀權貴，對於官僚之間的鈎心鬥角，爾虞我詐更是嗤之以鼻。他曾撰寫《應間》一文表明自己無心朝廷之事，以及不攀權貴的志向，請求辭去官職，一心搞科研，卻遭到順帝拒絕。
漢順帝陽嘉元年，張衡經過苦心鑽研，發明了測定風向和地震方位的侯風地動儀。這種儀器採用純銅鑄造而成，圓徑約一米，上面有隆起的圓蓋，看上去就像一個酒罈子，地動儀的外面刻著篆體文字和山、龜、鳥獸等圖形，儀體裡面立著一根很粗的銅擺柱，連結著朝向東、西、南、北、東南、東北、西南、西北八個方向的八根橫杆，附有機關樞紐，外部鑄著八條龍，分別朝著八個方向，每個龍頭都朝下，每條龍的嘴裡都銜著一個銅球，對應著每個龍頭下方鑄了八個蟾蜍，它們各自張著嘴做出準備承接銅球的樣子。
地動儀內部的每一個構件都非常巧妙地相互牽制著，起到了靈活傳動的作用，地動儀就好像一個酒罈子，這裡的每一個構件安裝得都十分隱蔽，蓋上外蓋以後，周圍緊密無縫。在地震發生時，地動儀內的銅擺柱會受到感應不斷地振動，觸擊任何一個方向的橫杆引動其他的構件的連鎖反應，觸動龍頭張開大嘴巴吐出銜著的銅球，落在下面蟾蜍的嘴裡，兩者相撞會發出巨響，聽到響聲，人們自然就知道發生地震了。
某個方位發生地震的話，會使指著相應方向的那一條龍的機械發動，但是其他七條龍都不動，從嘴裡吐出銅球的那一個龍頭所指示的方向，就可測知到底是哪一個方向發生地震了。事實也充分證明，實際地震的情況與地動儀上測得的地震情況幾乎沒有差距。當時國家政事日益敗壞，統治大權落在了外戚和宦官的手中。張衡向皇帝上奏，說成就大事之前必定會經歷一些磨難，皇上勤政愛民，受人敬仰。
今朝廷發生叛亂，天下人事對立的格局未得解決，再加上災禍不斷，神靈雖遙遠，但是暗地相合的警戒就在眼前。施仁政方可賜福，造淫亂也可降禍，以德治天下，就會結出美好的果，堅持過錯便會帶來禍患。通往天堂的道路雖遙不可及，但吉祥和兇惡是可以看見的。上天用災異來警示人們，先前已經發生數次了，但朝廷一直都沒做出什麼改變，所以災禍才反覆出現。
自然界不存在聖人，犯錯也是在所難免的。希望陛下可以再三考慮，不要給神靈留下把柄，禍及百姓。皇上的恩澤可以感動天地，如果事事都能依據禮制實行，禮節制度完善了，那奢侈越軌的事情就不會再發生了，事情做到合理相宜就不會再有什麼兇患過失了。然後神靈也會因為皇上對於天下的治理恰當，而災禍就不會再有了。」皇上欣然接受了張衡的建議，實行仁政，遵從勤政愛民的思想，果不其然，百姓安居樂業，國泰民安，風調雨順，就連戰禍也少了許多。陽嘉元年，張衡任公車司馬令侍中，皇帝希望他可以到宮內任職，常伴自己左右，張衡接受了。
由於張衡與世無爭，對於政事也有自己的一番見解，他主張的是以仁治天下，經常用含蓄的語言討論政事，同時給予暗示及勸告。皇帝曾經問過張衡對天下萬物有沒有什麼特別憎恨的事情，張衡淡淡一笑，跪安退下了。那些暗藏歹心的宦官們，整天擔心張衡會在皇上面前說自己的壞話，索性一個個都在皇上面前說他的壞話。
張衡身處皇宮這個是非之地，自身安全不能保證，雖然認為吉和兇具有依賴轉換的關係，但是結果卻是難以預測。為了寄託自己的感情和志向，他撰寫了《思玄賦》。漢順帝劉保永和初年，張衡被調到諸侯國河間作相。任職三年期間，百姓生活安逸，對政事處理得也很到位，雖然多次上書請求退休，皇上都未曾允準，被徵召回宮授以尚書之職，協助皇上管理文書。
東漢永和四年張衡病逝，終年62歲。張衡一生撰寫巨著數十本，比如《周官訓詁》等，研究、解釋《周易》時作過《彖》、《象》，但遺憾的是最終未能將其完成。他還著有《靈憲》、《應間》、《七辯》、《巡誥》、《懸圖》等詩、賦、銘、七言共三十二篇。這些巨著都保存了下來，可供後人學習。張衡，一代名家，為我們留下了寶貴的財富，值得後人敬仰和愛戴。