張衡，字平子，南陽西鄂人也。衡少善屬文，遊於三輔，因入京師，觀太學，遂通五經，貫六藝。雖才高於世，而無驕尚之情。常從容淡靜，不好交接欲人。永元中，舉孝廉不行，連闢公府不就。時天下承平日久，自王侯以下莫不逾侈。衡乃擬班固《兩都》作《二京賦》，因以諷諫。精思傅會，十年乃成。大將軍鄧騭奇其才，累召不應。
張衡，字平子，是南陽郡西鄂縣人。張衡年輕時就善於寫文章，到西漢故都長安及其附近地區考察、學習，並趁此機會前往京城洛陽，到太學觀光、學習，於是通曉了五經、六藝。雖然才學高出當時一般人，卻沒有驕傲自大的情緒。（他）總是從容不迫，淡泊寧靜，不愛和庸俗的人們往來。（漢和帝）永元年間，被推薦為孝廉，沒有去應薦；三公官署屢次召請去任職（他）也不去應召。當時社會長期太平無事，從王侯直到下邊的官吏，沒有誰不過度奢侈的。張衡就仿照班固的《兩都賦》寫了一篇《二京賦》，用來諷喻規勸。精心地構思寫作，（經過）十年才完成。大將軍鄧騭認為他是奇才，多次召請，（他）也不去應召。
衡善機巧，尤致思於天文陰陽曆算。安帝雅聞衡善術學，公車特徵拜郎中，再遷為太史令。遂乃研核陰陽，妙盡璇機之正，作渾天儀，著《靈憲》、《算罔論》，言甚詳明。
張衡擅長機械方面製造的技巧，尤其專心研究天文、氣象、歲時節候的推算。漢安帝常聽說張衡精通天文、曆法等術數方面的學問，就派官府專車，特地召請（張衡）任命他為郎中，後又升為太史令。於是他研究、考察了自然界的變化，精妙透徹地掌握了測天儀器的原理，製造了渾天儀，寫了《靈憲》、《算罔論》等關於曆法、數學方面的論著，論述十分詳盡明白。
順帝初，再轉復為太史令。衡不慕當世，所居之官輒積年不徙。自去史職，五載復還。
順帝初年，（張衡）又被調回重當太史令。他不慕高官厚祿，所擔任的官職，常常多年得不到提升。從離開太史令職務，五年後又恢復原職。
陽嘉元年，復造候風地動儀。以精銅鑄成，員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，傍行八道，施關發機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振龍，機發吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚，伺者因此覺知。雖一龍發機，而七首不動，尋其方面，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機發而地不覺動，京師學者鹹怪其無徵。後數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。自此以後，乃令史官記地動所從方起。
（順帝）陽嘉元年，（張衡）又製造了候風地動儀。是用純銅鑄造的，直徑有八尺，蓋子中央凸起，樣子象個大酒樽。外面用篆體文字和山、龜、鳥、獸的圖案裝飾，內部中央有根粗大的銅柱，銅柱周圍伸出八條滑道，（還）裝置著樞紐，（用來）撥動機件。外面有八條銅龍，龍口各含一枚銅丸，（龍頭）下面各有一個蛤蟆，張著嘴巴，準備接住龍口吐出的銅丸，儀器的樞紐和機件製造的巧妙，都隱藏在酒樽形的儀器中，覆蓋嚴密得沒有一點縫隙。如果發生地震，儀器外面的龍就震動起來，機關發動，龍口吐出銅丸，下面的蛤蟆就把它接住。（銅丸）震擊的聲音清脆響亮，守候儀器的人因此知道發生了地震。（地震發生時）雖然只有一條龍的機關發動，另外七個龍頭絲毫不動，尋找它的方向，就能知道地震的地方。用實際發生的地震來檢驗儀器，彼此完全相符，真是靈驗如神。從古籍的記載中，還看不到這樣的儀器。曾有一次，一條龍的機關發動了，可是（洛陽）並沒有感到地震，京城裡的學者都驚異地動儀這次怎麼不靈驗了。幾天後，驛站上傳送文書的人來了，證明果然在隴西地區發生了地震，於是全都歎服地動儀的巧妙。從此以後，（朝廷）就責成史官根據地動儀，記載每次地震發生的方位。
時政事漸損，權移於下，衡因上疏陳事。後遷侍中，帝引在帷幄，諷議左右。嘗問衡天下所疾惡者。宦官懼其毀己，皆共目之，衡乃詭對而出。閹豎恐終為其患，遂共讒之。衡常思圖身之事，以為吉凶倚仗，幽微難明。乃作《思玄賦》以宣寄情志。
當時政治越來越腐敗，大權落到了宦官手裡，張衡於是給皇帝上疏陳述政事，提出關於政事的意見。後來張衡升任侍中，順帝任用他入宮廷，在自己左右對國家的政事提出意見。順帝曾經詢問張衡天下所痛恨的人。宦官們害怕他說自己的壞話，都用眼睛瞪著他，張衡便用一些不易捉摸的話回答後出來了。這些閹人豎子還是擔心張衡終究會成為他們的禍害，於是就群起而毀謗張衡。張衡也常考慮自身安全的事，認為禍福相因，幽深微妙，難以知道。於是作《思玄賦》來抒發和寄託自己的感情志趣。
永和初，出為河間相。時國王驕奢，不遵典憲；又多豪右，共為不軌。衡下車，治威嚴，整法度，陰知奸黨名姓，一時收禽，上下肅然，稱為政理。視事三年，上書乞骸骨，徵拜尚書。年六十二，永和四年卒。
（順帝）永和初年，張衡被調出京城，去當河間王劉政的相國。當時河間王驕橫奢侈，不遵守法令制度；（河間地區）又有很多豪門大戶，和劉政一道胡作非為，張衡一到任就樹立威信，整頓法制，暗中探知一些奸黨分子的姓名，一下子全都抓起來，官民上下都很敬畏，讚頌河間地區政治清明。張衡治理河間政務三年後，就向朝廷上書，請求辭職告老還鄉，朝廷卻把他調回京城，任命為尚書。（張衡）活到六十二歲，永和四年與世長辭。