公元78年，张衡出生于一个官僚家庭。他幼时熟读儒家经典，十六七岁时就开始到外地游学，“游于三辅，因人京师，观太学，遂通五经，贯六艺”，终成一代文化伟人。
张衡一生为官清廉公正，不与权奸同流合污，所以仕途并不顺利。他曾因上书建议裁抑宦官权臣，而遭到奸佞联合弹劾，被贬为河间太守。111年，张衡被调回京师担任尚书一职，他因此接触到更多的黑暗与腐败，对社会深感悲愤与失望。于是，他专心致志，从事科学研究，取得了累累硕果。
张衡最杰出的成就是在天文方面，他继承和发展了浑天说，撰写了两部重要的天文学著作《灵宪》和《浑天仪图注》，在论著中他首次提出宇宙无限的观点，阐述了天地的形成、结构和日月星辰的运动本质，对月亮的盈缺和月食作出了科学的解释。117年，张衡根据浑天学说制成了世界上最早使用水力转动的浑天仪。张衡创制的浑天仪是世界上第一架能够比较准确地观测天象的浑天仪，是划时代的伟大创造，推动了中国天文事业的发展。1092年，苏颂和韩公廉在他的启发下，创制了世界上最早的天文钟，这是中国古代最雄伟、最复杂的水运仪象台。
在地震学上，张衡发明了世界第一台地震仪——候风地动仪，这是张衡在浑天仪之外的另一个不朽的创造。地动仪全由青铜铸成，像一个大酒坛。周围铸有8条龙，头下尾上，按照东、南、西、北、东南、东北、西南、西北的方向排列着。龙头和仪器内部的机关相连，每条龙嘴里都含着一颗铜球。8个龙头下，蹲着8只张着嘴的铜蟾蜍。地动仪内部有一根大铜柱，叫做都柱，都柱上粗下细，能够摇摆。都柱旁有8条通道，通道内安有机关，叫做牙机。一旦发生地震，都柱就会向地震的方向倾斜，触动通道中的牙机，而那个方向的龙头，就会张开嘴巴，吐出铜球，落在下面的蟾蜍嘴中，发出声响。据此，人们就可以知道地震的时间和方位。138年，张衡利用地动仪准确测出发生在距洛阳千里外甘南地区发生的地震，张衡的地动仪，在当时是一项遥遥领先于世界的伟大发明，直到1700年后，欧洲才制造出原理基本相似的地震仪器。
在气象领域，张衡还发明了类似国外的风信鸡的气象仪器——候风仪，比西方的风信鸡要早1000多年。
除了天文，在其他很多领域张衡都颇有建树，他发明过指南车、会飞的木雕、水力推动的活动日历等机械仪器；写过一部数学专著《算罔论》，还计算出圆周率是3.1622，在1800年前，能有这样精密的计算，着实让人惊叹，张衡还研究过地理学，他绘制的地图流传了几百年。他还是东汉六大画家之一；在文学领域，他创作的《二京赋》把汉大赋推向了一个高峰，被誉为“长编之极轨”，在中国文学史上占有重要地位。他写的抒情小赋《温泉赋》、《归田赋》等也极富文采。张衡的新体七言诗《四愁诗》，也是脍炙人口的传世之作。
中国科学院第一任院长郭沫若先生评价张衡：“如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。”“万祀千龄，令人敬仰。”