張衡是一位具有多方麵才能的科學家。他的成就涉及到天文學、地震學、機械技術、數學乃至文學藝術等許多領域。
張衡在天文學方麵有兩項最重要的工作——著《靈憲》，作渾天儀。此外，在曆法方麵也有所研究。
《靈憲》是張衡有關天文學的一篇代表作，全麵體現了張衡在天文學上的成就和發展。原文被《後漢書·天文誌》劉昭注所征引而傳世。文中介紹的天文學要點如下：
他認為宇宙是無限的，天體的運行是有規律的；月光是日光的反射，月蝕起因於地遮日光，月繞地行且有升降。他認識到太陽運行(應是地球公轉)的某些規律，正確解釋了冬季夜長、夏季夜短和春分、秋分晝夜等時的起因。他指出在中原可以見到的星有2500個，與今人所知略近。他經過對某些天體運轉情況的觀測，得出一周天為三百六十五度又四分度之一的結論，與近世所測地球繞日一周曆時365天5小時48分46秒的數值相差無幾。