地动仪公元132年（阳嘉元年），张衡在太史令任上发明者了最先的地动仪，称作候风地动仪。据《后汉书张衡传》记述：地动仪用精铜铸成，圆径八尺，顶盖凸起，形似酒樽，用篆文山龟鸟兽的形象装饰。中有大柱，倚行八道，福重开发动之机。

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。任何一方如有地震再次发生，该方向龙口含有铜珠即堕人蟾蜍口中，由此之后可测得发生地如雷的方向。经过试验，与所设制，合乎如神，自从有书籍记述以来，是没过的。

曾多次一龙机发，地自若一动，雒阳的学者都责备严重不足信，几天之后，送信人来了，果然在陇西地发生地如雷，众人于是都衣其神妙。自此之后，朝廷就令其史官记述地一动再次发生的地方。

关于地动仪的结构，风行的有两个版本：王振铎模型，即都柱是一个类似于长条酒瓶状的圆柱体，掌控龙口的机关在都柱周围。这一种模型已被基本驳斥。另一种模型由地震局冯锐明确提出，即都柱是钩挂（闻袁宏《后汉纪》），挂下方有一个小球，球坐落于米字形滑梯交汇处（即《后汉书张衡传》中所说的关），地震时，都柱张开小球，小球闭锁掌控龙口的机关，使龙口张开。

另外，冯锐模型还把蟾蜍由面向樽体改回背向樽体并当作仪器的脚。该模型经仿真测试，结果与历史记述相符。世界上地震频密，但确实能用仪器来观测地震，在国外，是19世纪以后的事。候风地动仪是世界上的地震仪之祖。

虽然它的功能尚能只仅限于测知震央的大约方位，但它却打破了世界科技的发展大约1800年。浑天仪张衡在西汉耿寿昌发明者的浑天仪的基础上，根据自己的浑天说道，脱胎了一个比以前都准确、全面得多的浑天仪。漏水并转浑天仪是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球，球上镌刻二十八宿、中外星官以及朱赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等，出一浑象，再行用一套旋转机械，把浑象和漏壶融合一起。

以漏壶流水掌控浑象，使它与天球实时旋转，以表明星空的周日视运动，如恒星的捕食和中天等。它还有一个附属机构即瑞轮冥菜，是一种机械日历，由传动装置和浑象连接，从每月初一起，每天生一叶片；月半后每天堕一叶片。它所用的两级漏壶是现今熟知最先的关于两级漏壶的记述。河南南阳张衡博物馆内浑天仪张衡在创作了浑天仪之后曾写出过一篇文章。

此文全文已佚。只是在梁代刘昭注《后汉书律历志》时不作了大段援引而使之传世。

刘昭注中把这段文字标题为《张衡浑仪》。称作浑仪有可能是刘昭所不作的一种修改。在古代，仪器的定名为并不严苛。

虽然后世将浑仪一词规范为专指观测仪器，但在隋、唐以前，浑仪也可用作演出仪器。瑞轮荚瑞轮荚是张衡别出心裁建构的自动日历，它仿效神话中奇树根蓂荚的特征，靠流水起到，从每月初一开始，一天经常出现一片叶子，到满月人民文学出版社15片，然后每天再行松开一片，到月末为止，循环开闭。这个神话交错地体现了尧帝时天文历法的变革。

张衡的机械装置就是在这个神话的灵感下发明者的。听谓随月盈虚，依历开落，其起到就相等于现今钟表中的日期表明。指南车张衡生产的指南车利用机械原理和齿轮的传动起到，由一辆双轮独辕车构成。车箱内用一种能自动聚散的齿轮系统，车箱外壳上层改置一木刻仙人，无论车子朝哪个方向旋转，木人张开的臂都指向南方。

计里鼓车张衡建构的计里鼓车是借以计算出来里程的机械。据《古今录》记述：记里车，车为二层，均有木人，讫一里下层奏乐，行十里上层击镯。记里鼓车与指南车生产方法完全相同，所利用的差速齿轮原理，早于于西方1800多年。独飞木雕张衡制作独飞木雕，是仿效鸟类高空飞翔的滑翔翼型设计。

地形图张衡也研究过地理学，根据他研究和实地考察的所学，所画过一幅地形图。唐张彦远《历代名画记》卷三云：衡尝作地形图，至唐尚存。

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