（公元117年），在东汉的京都洛阳，一台利用水力推动的大型天文仪器——“水运浑象仪”制造成功了。这台仪器的主干部分是一个大空心铜球，星辰布满上面，球的一半在地平圈下面藏着，另一半露在地平圈上，如同人们看到的天穹一样。仪器依靠漏壶流水的力量将齿轮系带动起来，连带着铜球（浑象）缓慢地运转，旋转一周花一天。到了夜里，人们从仪器上可以观察到星辰的起起落落，与现实中的天象完全一致。表演这个仪器在当时引起了极大的轰动。
时隔20年（公元138年），安置在京都洛阳的一台仪器——“地动仪”
突然传出了清脆的声响，一枚铜球从仪器上的一条龙嘴里吐落出来，掉落在下面承接的铜制蟾蜍口中，准确地报告了西方千里之外发生的地震。这架在我国历史上首创发明的仪器，就是杰出的科学家张衡创造的地动仪。在地动仪出现1700多年以后，欧洲才有了类似的测报地震的仪器。我国历史上正式记载地震，就是从地动仪出现以后开始的。
长安和洛阳的游学经历
东汉章帝建初三年（公元78年），张衡诞生于南阳郡西鄂县石桥镇（今河南省南阳县城北50里）一个没落的官僚家庭。他的祖父张堪是地方官吏，曾当过蜀郡太守和渔阳（今河北省冀县一带）太守。张堪为官清正廉洁，当时官场贪污盛行，他不像其他官僚那样大肆搜刮民脂民膏，所以也没有什么积蓄。张氏家族在当时的南阳是名门望族。张衡的父亲很早就过世了。张衡小的时候，家道已经中落，有时甚至还靠亲友们的救济活着。
贫困的生活激励张衡自幼好学。张衡的思想开阔，不喜欢受传统观念的束缚。当时一般士大夫人家的子弟，都必须读《诗经》、《礼记》等儒家经典。
张衡少年时也熟读过这些书，但他认为经书太束缚人们的思想。张衡最喜爱的是文学，对当时著名的司马相如、杨雄等人的作品，都曾经下过一番工夫。
他不仅能深刻地理解，而且还能背诵。10多岁时，张衡已经读了很多书，文章也写得很好了。他不满足这种闭门诵读的生活，渴望到外面去开阔眼界，寻求书本以外的知识。
和帝永元六年（公元49年），刚满17岁的张衡便怀着远游的志愿，离开家乡，踏上了游览名都大邑、求师问业的旅途。张衡游历的目的不是为了寻求功名。因而，他离开家乡后没有先去京都洛阳，而是去了汉朝的故都长安。长安城周围的地区号称“京兆”，加上长安附近的“左冯翊”和“右扶风”合称三辅。京兆管理的地区相当于今陕西秦岭以北、西安市以东、渭河以南一带地方；左冯翊管理的地区为今渭河以北、泾河以东、洛河中下游一带地方；右扶风管理的地区相当于今秦岭以北、泾河及西安市以西一带地方。
三辅在西汉时是全国最富庶的地区，也是最高学府的所在地。张衡两年间游览了三辅名山大川，考察当地的民俗、物产和历史古迹，尤其对长安近郊的宫阙规模、市井制度、远近商贾货财的聚散、豪富王侯的故事等等，都有比较深切的认识。三辅的游览使张衡积累了丰富、新鲜的文学素材。张衡在安帝永初元年（公元107年）写成的《二京赋》（包括《西京赋》和《东京赋》），多数素材都来自这次游历。
永元七年，张衡到了洛阳。他在洛阳住了五六年，但没有结交贵族豪门，奔走钻营，也没有进当时最高的学府——太学，去专门师从某一经师钻研一门经学。汉朝的太学以钻研经学为主。青年儒生欲图仕途之路，必需钻研经义。但太学不是一般青年可以随意进入的，除具备一定年龄条件外，还需得到县令的推荐，郡太守的考察。张衡虽多才多思，但是未经郡太守的选送，是不可能作太学的正式弟子的。所以，张衡在京师仅是时常到太学里去参观或去拜访各家经师，向他们虚心求教；另一方面，张衡也可以不受拘束地多闻博学。由于他虚心好学，勤奋努力，进步很快，达到了贯通五经、六艺的地步，成为学识比较渊博的学者。《后汉书·张衡传》中曾描述当时的张衡“虽才高于世，而无骄尚之情。常从容淡静，不好交接俗人”。张衡的学识已经被很多人所赏识。永元年间（公元89－104年），地方上曾经推举他做“孝廉”，但他不肯应命；朝廷屡次招聘他去公府做官，他也一律回绝。
在洛阳，张衡结识了不少朋友，这些人都是与他志同道合的著名学者和优秀青年，如有名的词赋家马融、贤士窦章、政论家王符、学者崔瑗等。在这些人中，对张衡影响最大的是崔瑗。崔瑗在天文、数学、历法方面有精深的研究，他们经常一道研究问题，交流心得，感情最深。张衡以后研究天文、历数等科学并获得巨大成就，受他的影响最大。
早期的文学活动
在三辅一带游历的时候，优美的骊山风景，特别是引人入胜的骊山温泉深深吸引了张衡。他就写了有名的《温泉赋》。《温泉赋》为张衡早期的文学创作，在《温泉赋》中，他反复赞美温泉周围的景物，歌颂了美丽的“汤谷”，清新的春水。这篇《温泉赋》一直流传到现在，但里面有几段文章已经不完整了。
张衡在洛阳居住期间，他的学业和文学创作水平都有了很大提高。在此期间，他写了不少优美的辞赋，如《定情赋》、《同声歌》、《扇赋》、《七辩》等。这些作品大部分没有留传下来，我们今天只能看到残存的几十字或几百字。但是，从这些一鳞半爪的文句中，我们仍可以看出他很高的文学才能，体会到他的真挚情趣。
家境的贫寒使张衡无法在洛阳久留。张衡当时已有20多岁，如果长期留在京城，不谋一个职业是无法维持生活的。恰巧有一位黄门侍郎鲍德调到南阳郡去当太守，他素来仰慕张衡的才华，又因张衡是南阳郡人，所以他多方设法邀请张衡回南阳郡帮他办理郡政。张衡素闻鲍德的品学很好，又因自己生活上有了困难，也想顺便回到家乡看看，因而答应了鲍德的要求，做了鲍德的助理——主簿官。当时张衡23岁。
主簿官的职务主要是办理文件，不直接处理行政事务。以张衡的才能，担任这项工作自然就比较清闲。张衡便在公余时间，积极从事文学创作。他利用在游历三辅和洛阳时搜集到的材料，花了10年功夫，于公元107年写成了他的著名作品——《二京赋》。随后又写成了《南都赋》。
《二京赋》由《西京赋》和《东京赋》两部分组成，长达五六千字。
这篇文章，他写了又改，改了又写，又不断补充。《后汉书·张衡传》中说他“精思博会，十年乃成”，由此可见张衡对待写作的态度是十分严谨的。
《二京赋》内容繁富，体制雄伟，在形式上模仿班固的《两都赋》。据说张衡曾研读过《两都赋》，觉得不很满意，便下决心“更造”《二京赋》。
张衡写《二京赋》的时候，东汉的政治局面比较稳定，社会经济已有很大发展，国力也处于强盛阶段。尽管如此，在官僚、地主等剥削阶级的压迫下，百姓的生活仍然困苦，而统治阶层的生活依旧奢侈糜烂。张衡在《二京赋》中，除了颂扬当时东汉国势的昌盛以外，还以很大的篇幅无情揭露和讽刺了当时京师中帝王贵族“取乐今日，遑恤我后，既定且宁，焉知倾秩（zhì）”
的腐朽寄生生活。在《西京赋》里，张衡以凭虚公子作为反面代表，通过写凭虚公子大谈汉朝皇帝宴会和狩猎的情形，披露了封建统治者纵情享乐、铺张浪费的豪奢生活和腐朽思想。他在《东京赋》里以安处先生作为正面代表，提出了自己的政治见解和积极建议。张衡认为官僚、贵族都以压榨老百姓来取得自己的享受快活，却忘了百姓们会把他们当作仇敌看待；他们不惜毁坏武器供自己玩乐，却忘掉了老百姓也会起来反抗而使他们感到忧虑。张衡以水能载运又能翻沉船只的道理，讽谏统治者不要奢侈荒淫得太过分了，倘若过度劳民伤财，激起人民的怨怒和暴动，那么自己这只船就会被人民力量的洪流所覆没。张衡这些比较清醒的政治主张在当时是具有一定的进步意义的。
张衡在南阳郡任主簿期间，也做了一些对民有益的事。他利用南阳郡较好的农业基础，帮助鲍德兴修水利，发展农业生产，使得南阳郡在各地连年灾荒的时候还能获得丰收。南阳郡的郡学学舍荒废了多年，张衡劝鲍德加以修理和重建。在学舍修建完成时，鲍德邀请了当地的儒家学者来参加典礼，举行宴会。张衡曾写了一篇《南阳文学儒林书赞》，来纪念这次盛会。在张衡的积极努力下，南阳地方的教育事业也蓬勃发展起来。张衡在后来完成的《南都赋》里曾生动地描绘了南阳郡的繁荣景象，反映了当时的社会面貌，人民生活情况和民间的风俗习惯。《南都赋》不仅是一部优秀的文学作品，也为研究当时社会情况提供了宝贵的资料。
在南阳郡，鲍德当了9年太守，汉安帝永初二年（公元108年）朝廷把他调到京师去，担任大司农一职，管理国家的田赋税收。张衡没有和鲍德一起去京师，他辞去了南阳主簿一职，回了故乡，潜心研究学问。
潜心专研学问
张衡在家里研究学问的那段时间，有个姓邓的人，仗着姐姐邓太后的权势，当了大将军。为巩固自己的显赫地位，他让一些社会上的名流学者当自己的幕僚和朝官。邓某对于大名鼎鼎的张衡自然设法罗致，所以多次征召张衡到他那里去当官，张衡都坚决辞谢了。张衡不贪慕虚荣，淡泊名利，洁身自爱，他不肯与那些过着奢侈淫逸生活的达官显贵人同进同出。张衡曾经在《应间》篇中阐明了自己的态度：“不患位之不尊，而患德之不崇；不耻禄之不伙，而耻智之不博”。这是说，不能追名逐利，而应该严于律己，使自己的道德高尚起来，知识渊博起来。
张衡住在家里，专心进修学业，在此期间，他开始研读当代文豪和哲学家杨雄著的《太玄》。杨雄是西汉末年倾向于古文经学的哲学家，也是当时著名的文学家和语言学家。杨雄擅长辞赋和文字学，他主张辞赋的内容应具有教育和劝导的作用，否则写作赋只能称作是“童子雕虫篆刻”的小技而已，而那绝非“壮夫”应做之事。杨雄的哲学著作有《法言》和《太玄》两部。
《太玄》的体裁模仿《易经》，杨雄把《太玄》看作是自己的精心杰作。当时著名的古文经学家刘歆看了《太玄》后，曾对杨雄说：“空自苦！今学者有禄利，然尚不能明《易》，又如《玄》何？吾恐后人用覆酱瓿也。”意思是告诉杨雄人们都不会去读《太玄》，《太玄》将来只好被当作废物去盖酱罐。后来班固在《汉书·杨雄传》里也说，杨雄死后，他的《法言》很流行，而《太玄》却很少有人去理会它。
当张衡研究《太玄》时，杨雄去世已将近一百年了。张衡费了很多功夫，详细地分析和研究《太玄》，在精读过程中，他还写了《太玄经注解》并绘制了《太玄图》。《太玄经注解》和《太玄图》是张衡研究《太玄》的成果，其中必然反映了张衡的一些哲学思想，可惜他们都没有留传下来，使我们现在无从评论。
幸亏杨雄的《太玄》留传至今，从中我们还可以寻找到张衡所受的思想影响的根源。侯外庐先生曾在《中国思想通史》中指出：“杨雄所谓‘玄’与老子的‘道’同样，从玄妙莫测上而言，是超感觉的范畴，但同时又都是规定着万物的发生、运动及其秩序的最高原动力。”《中国思想通史》根据对《太玄》中各篇内容的分析，认为“杨雄的世界观是由唯物主义因素和唯心主义因素所奇妙结合的二元论的体系”，更认为“杨雄的思想，一方面摄取《周易》和《老子》的理论，并杂以阴阳家的神秘主义（历数），而铸成其二元论的世界观”。
张衡在细心研读了《太玄》后，曾几次特地写信给好友崔瑗，其中一封信中说：“以其（《太玄》）满泛，故时人不务此。”意思是说《太玄》内容太杂，所以当时的人不肯费功夫去钻研它。他又说：“披读《太玄》，知子云（杨雄）特极阴阳之数也，……非特传记之属，乃实与五经似。……竭已精思，以揆其义，更使人难论阴阳之事。”在张衡的晚期作品《思玄赋》中，张衡也说道：“仰先哲之玄训兮，虽弥高而弗违。”“结典芨而为兮，殴儒墨以为禽；玩阴阳之变化兮，咏雅颂之徽音。”“回志来从玄谋，获我所求夫所思。”从以上所引张衡的话中，我们可以看出，张衡在学术思想上企图融合儒、墨、道、阴阳各家的学说，一同归纳到所谓的“玄训”或“玄谋”里。由此可见，杨雄的哲学思想对张衡的影响是很深的。这种影响在张衡的重要天文学著作《灵宪》中也有明显的反映。
张衡通过钻研《太玄》，也接触到了我国古代历史上的唯物论和无神论。
例如《太玄经·玄莹篇》里说：“夫作者贵其有循而体自然也，其所循也大，则其体也壮；其所循也小，则其体也瘠。……故不攫所有，不强所无。譬诸身，增则赘而割则亏。……其可损益欤？”关于这段话，《中国思想通史》中解说道：“是知在杨雄看来，唯有从客观世界出发，世界观才有根据，才可成为伟大的体系。”其次，“自然是独立于人类意识而存在的客观实在，一切的学说，只有契合于自然的本质，才能成为真理，如果出于主观的歪曲，即或‘攫’自然所本有，或‘强’自然所本无，而妄事增减，则非‘赘’即‘亏’，皆是错误。这两点在基本的精神上，都是唯物主义世界观的命题。”
《太玄》里的这种唯物主义因素，启发了张衡去探求自然真理。
本来，在《太玄》里面就涉及好多有关天文、历法和算术方面的知识，这些都进一步启发了张衡研究自然科学的兴趣。杨雄在《太玄》中所提出的难盖天八事，是对盖天说错误思想的彻底批评，在社会上有很大影响。张衡能够在后来成为两汉时代最重要的浑天家，杨雄对他的影响可能也起到了相当大的作用。这使得张衡逐渐由文学创作转到对哲学的深入研究，转向对宇宙现象的执著探索，而终于在天文历算等方面获得了巨大的成就。
除专心研读《太玄》，张衡对于墨家学术也极为重视。《墨子》书里保存有我国古代劳动人民关于自然科学知识的珍贵资料。对于转向研究自然科学的张衡，自然也就对《墨经》极感兴趣。我们曾引证张衡《思玄赋》：“结典芨而为兮，殴儒墨以为禽”，正表明他对于儒学和墨学是同等看待的，要同样加以研究，多方面吸取养分，为他以后所从事的科学研究打下坚实的基础。在东汉中叶儒家经典盛行的情况下，张衡把儒墨并提，这显然是政治上的异议，学术上的争鸣，这在当时是极为罕见的。
张衡研究学问的态度非常严肃认真，无论问题大小，他都不轻易放过，一定要弄清楚才肯罢手，并且有恒心和毅力。崔瑗曾夸赞他研究学问的态度，如同大江里的水一样，日夜奔流不息。这也是张衡能够在学术上取得巨大成功的重要因素之一。
光辉的天文学成就
永初5年（公元111年），张衡34岁时被安帝特征再次来到长安。当年，安帝下令要全国各地的地方官推荐有学问和通达政教的人。汉安帝平时常听人称道张衡在天文、历法上很精通，就特征他到京都，将他任命为郎中。郎中是汉朝尚书台的低等官员，“主作文书起草”。做了郎中，张衡就有机会阅读很多平时难得一见的书籍。他利用官务的空闲时间，进一步深入研究诸家学术，丰富自己的知识，逐步提高学术水平。