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精确、全面得多的“浑天仪”。

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3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（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迷信观念出发，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》最精密，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》都精密。

而且《九道法》承认月亮运行的速度是不均匀的，而当时其他的历法都还只按月亮速度均匀来计算。所以，《九道法》所推算的合朔比当时的其他历法更符合天文实际。只是如果按照《九道法》推算，将有可能出现连着3个月是30天的大月，或连着两个29天的小月等的现象。而按千百年来人们所习惯的历法安排，从来都是大、小月相连，最多过17个月左右有一次两个大月相连，绝无3个大月相连，更无2个小月相连的现象。所以，《九道法》所带来的3大月或2小月相连的现象对习惯守旧的人是难以接受的。这样，张衡、周兴建议采用《九道法》本是当时最合理、最进步的，但却未能在这场大讨论中获得通过。这是中国历法史上的一个损失。月行不均匀性的被采入历法又被推迟了半个多世纪，直到刘洪的《乾象历》中才第一次得以正式采用。

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。

关于木雕，《墨子· 鲁问》就有记载“公输子削竹木以为鹊。成而飞之，三日不下。”《列子·汤问》和《韩非子·外储说》都记载说，墨子本人也造过能飞的木鸢。这些木鹊或木鸢大概是一种鸟状的风筝。不可能是其他装有动力机的、如今日飞机之类的飞行器。因为当时还不可能有连续运行一日乃至三日之久的动力机。张衡的木雕，大概也是一种风筝。不过，北宋类书《太平御览·工艺部九》引《文士传》中一段记载说“张衡尝作木鸟，假以羽翮，腹中施机，能飞数里。”这里说到“腹中施机”，而且“能飞数里”，，过去有的作者认为是一种飞机类的飞行器。但装在飞行器上的动力机必须重量足够轻而马力足够大，并且还要求飞行器本身具有一定的适宜起飞上升的形状等等，这些条件在张衡时代没有一条是能做得到的。所以，张衡的木雕即使真的“腹中施机”，那么，这种机也不会是动力机，而是一种装在风筝上用线控制飞行的操纵机构。

关于三个轮子可以自转的机械，古来就有不同意见。南宋学者王应麟认为是一种记里鼓车。这种车利用一组齿轮系把大车转动时车轴的运动传递到一个木人的手臂上，使它过一里路时敲一下鼓。这个设想看来不大符合“三轮可使自转”的意思。敲鼓的动作一般是不当作转动看的。另一种意见则认为是一种指南车。清代王先谦《后汉书集解·张衡传》中引《宋书 ·礼志》“指南车，其始周公作，张衡始复创造”（按这是《宋书·礼志》的摘引，实非原文）。，指南车的形象更符合于“自转”的用词，因为不管下面轮子怎么转，车上的人只见到指南车木人的手指在自动地转向南方。

，张衡在机械技术方面非常高明。《太平御览· 工艺部九》引晋代葛洪《抱朴子》“木圣张衡、马钧是也。”高似孙的《纬略》也说“张衡、马忠号‘木圣’。”

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”，，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。，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的开方有精密了。但钱宝琮所作的校勘似乎未必都符合张衡的原来数字。

地动仪

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》记载地动仪用精铜铸成，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入蟾蜍口中，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。

世界上地震频繁，但真正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。虽然它的功能尚只限于测知震中的大概方位，但它却超越了世界科技的发展约1800年。