《張衡傳》以張衡“善屬文”“善機巧”“善理政”為綱組織全文，顯示了張衡作為文學家、科學家、政治家的才幹與成就。範曄繼承了司馬遷、班固等人關於史傳文寫作的傳統，並因人取事，因事敷文，形成了自己記寫人物傳記的特色。張衡一生行事眾多，成就卓著，品格高尚，如何取其精又不失於偏，慮及全又不流於繁，寫其形又得其神，確要費一番匠心。
敘學習，顯示其成就的基礎。張衡的朋友崔瑗曾稱讚他說：“道德漫流，文章雲浮。數術窮天地，製作侔造化。瑰辭麗說，奇技偉藝，磊落炳煥，與神合契。”張衡多才多藝，德高品潔，是和他的學習、實踐分不開的。範曄寫他的學習，說他“少善屬文”，自幼聰穎明慧，而更突出了他的“遊於三輔，因入京師，觀太學”。張衡係南陽西鄂（今河南南陽）人，而遊學到“三輔”之地，並進入京城洛陽太學參觀、學習。當時學界盛行的是“章句之學”，完全是一套陳腐的死學問，張衡涉足社會，不惜遠遊，目標遠大，直入太學，這就使他達到“通五經，貫六藝”的地步。把五經、六藝都融會貫通了，他不是食而不化，也非固步自封，不僅讀書本而且看實際，不隻鑽典籍而且研技藝，不單捧冊頁而且知世情。張衡貫古通今，知書識世，明道諳理，可是“雖才高於世，而無驕尚之情”，謙虛謹慎，既是取得重大成就的條件，也是為人處世的美德。作者僅用了三十四個字，就概及張衡學習的各個方麵：內容、方法、精神、成就。這真可謂用墨精當得能收海於勺，縮龍成寸。作者先敘張衡的學習，為下文敘述他的善為人、善作文、善機巧、善理政奠定了基礎。
敘品行，顯示其高尚的節操。張衡對為官作宦，“從容淡靜”；對貪官酷吏，嫉惡如仇；對科學技術，不遺餘力。有的人把學問作為沽名之具，釣利之餌，登官之梯，而張衡參透人生，潔身自守，他辭謝了多次的舉薦與征召。作者連用“連辟”“累召”“不行”“不就”“不應”等詞語，強調了他的不慕利祿，無意仕途。後來的出仕，也隻是“拜郎中，再遷為太史令”一些從事科技、史學方麵的業務性職務。“衡不慕當世，所居之官輒積年不徙”，他不想握權柄以抬高地位，居高位以謀私利。
張衡沒有官欲，但並非沒有官才。他有著敏銳的政治眼光，清醒的政治頭腦，高明的政治手腕。他看到“天下承平日久，自王侯以下莫不逾侈”，不惜花了十年工夫，模擬班固的《兩都賦》，而寫了《二京賦》。在《西京賦》和《東京賦》中，極力鋪寫了二京的所有宮室、動植物、遊俠辯論之士、角牴大儺之戲，諷諫當朝的窮奢極侈。這是婉轉的諷喻。有時他也挺身而出“上疏陳事”，“諷議左右”，向皇上直言進諫，彈劾奸佞。一旦由他掌握了一定權力，也就大力剪鋤奸徒醜類。他出為河間王劉政的相時，看到劉政驕奢，“不遵典憲，又多豪右，共為不軌”，他一到任就能“治威嚴，整法度，陰知奸黨名姓，一時收禽”，收到“上下肅然，稱為政理”的效果，可見張衡不僅具有如何做官的認識、理論，而且有著實際施行的本領。
張衡上究天文，下窮地理，精於曆算，擅於機械，自然也洞察當時社會世情。官場之中，有日天地黑，無風海生浪，所以他先是不做官，想潔身避禍，後來不得不入官場，順帝“嚐問衡天下所疾惡者。宦官懼其毀己，皆共目之”。“衡乃詭對而出”，避其鋒芒，巧為應對。即令這樣，那幫閹豎還“共讒之”，使他更明白在那種政治漩渦中，如履春冰，如捋虎尾，確實是“吉凶倚伏，幽微難明”，而要“常思圖身之事”。當他狠狠打擊了河間王的惡勢力後，也就急流勇退，做出了極明智的決策：“上書乞骸骨”，請求退休還鄉了。從他的《四愁詩》《思玄賦》《歸田賦》中，都看出作為一個正直的官吏、有為的學者，在當時內心的苦悶，無力除惡，無法避禍，隻有獨善其身了。
敘術業，顯示其卓著的成就。張衡在天文、數學、地理、氣象、機械製造方麵，都有卓越的成就，在文學、詩賦、繪畫方麵成績斐然。郭沫若曾評價說：“如此全麵發展之人物，在世界史上亦所罕見”，“萬祀千令，令人敬仰”。範曄為之作傳時，既要顧及全麵，又要突出重點。文中以“研核陰陽，妙盡璿機之正，作渾天儀，著《靈憲》《算罔論》，言甚詳明”概及了他多方麵的貢獻，而重點寫候風地動儀。候風地動儀是張衡首創，在科技史上居重要地位。傳記從地動儀的質地、尺寸、規模、形體、文飾以至整個結構的“巧製”、測定時的效驗，做了井然有序的詳明介紹。“驗之以事，合契若神”著一“神”字，極寫儀器功效。“自書典所記，未之有也”，表明此乃史無前例的獨創。更用京師學者最初“鹹怪其無征”，後來“果地震隴西。於是皆服其妙”的典型細節，充分證明了張衡“妙盡璿機之正”的“妙”，“善機巧”的“善”。
這篇傳記僅以七百餘字就概及張衡六十二年中善屬文、善機巧、善理政等方麵的傑出成就。全文以時間為序，敘其一生；以“善”為綱，統率題材；以“妙”為目，傳其精神，因而所寫方麵多而不雜，事跡富而不亂，文雖簡而概括全。範曄之所以能“驅萬途於同歸，貞百慮於一致，使眾理雖繁，而無倒置之乖，群言雖多，而無棼絲之亂”（《文心雕龍·附會》），就在於抓住了總綱領，並內蘊著相互關係。張衡正由於潛心於學才達到“通五經，貫六藝”的境界，才使他具有了“善機巧”的知識與才幹，也使他具有了“不慕當世”的胸襟。不去追名逐利，求官謀宦，才能居郎中的微職“積年不徙”，得“約己博學，無堅不鑽”，有了創造發明。他的做官，不是為了榮華富貴，而是以利於科學研究。當不得不被推上政治舞台時，還始終保持著明智的頭腦。作者將張衡於自然科學、文學、政治活動方麵的表現統一了起來，寫出了一個真實的人、偉大的人。
本文除揭示了張衡多方麵事跡的內在的聯係外，善於剪裁也是使本文成功的重要因素。如寫“善屬文”，就以寫《二京賦》為主，略涉《思玄賦》，其他甚至不提及；寫“善機巧”，以詳寫候風地動儀為主，其他科技成果則為輔；寫“善理政”，以整治法度、收擒奸黨為主，請求辭職、上調擢升則為次。在文學、科學、政事三方麵，都體現了他“從容淡靜”的個性，又突出了“善機巧”的特點，使張衡這麽個偉大的形象輝耀於讀者麵前。