张衡出身名门望族。其祖父张堪历任蜀郡太守、渔阳（今北京）太守，曾领兵击败匈奴，为政廉洁而备受推崇。张衡少时通五经、贯六艺，善文章。累官南阳主簿（掌管文书）、郎中（书记官）、尚书郎、太史令（掌管天文历法）、侍中、河间相、直到尚书，期间任太史令达14年之久。其科学成就多在任太史令期间完成。
在天文学方面，张衡写下了《灵宪》一书。他提出宇宙的演化过程，先经过“浑沌不分”的“太素”阶段，然后才开始产生物的“庞鸿”阶段，再到“元气剖判，天成于外，地定于内”。他认为，宇宙是无限的。此外，他还提出了一种“天圆地平”的天地结构，正确地解释了日月食成因，提出当月遮蔽日则成日食，当月进入地的阴影时则成月食。《灵宪》成为古代一篇杰出的天文学著作。
张衡在任太史令期间，制造了一架表现天象的浑象仪，并创制了一架水转浑天仪。后者由许多关戾、机械构成，可以昼夜转一周以展示天上星体的位置，并且带动一个称为“瑞轮蓂荚”的机械日历，以报告一个月内的天数。实际上，这是一架天文钟，并对后世的相关发明产生重大影
响。
在任尚书郎期间，张衡还制订了一种新历法，称为“九道法”。它比西汉所创的太初历和当时使用的四分历都要精密。但由于保守与习惯势力反对，未能实行。在机械制造和地震学方面，最闻名的是张衡制造了“候风地动仪”，它是人类历史上第一架地震仪，用于测定地震的有无和震源方向。他还制造指南车和飞行木鸢，前者是一种指示方向的机械，后者类似于滑翔机。在张衡之后，指南车在历代屡有制造，尤其是《宋史‧舆服志》详细记载了宋代科学家燕肃和吴德仁所制指南车的情况。
由东汉人编欣、李梵创制的一种阴阳历，规定一回归年等于365.25日，一朔望月等于29499940张恒是谁日，19个太阴年中插入7个闰月的历法，因岁余为四分之一日，故称为四分历。
张衡还写过一本数学著作《算罔论》。他分别给立方体和球体定名，并计算了它们的体积。其中，提出圆周率π＝730/232＝3.1466。这是中国历史上第一个理论π值。此外，他还作过《地形图》、写过文辞优美的《二京赋》，以及科幻作品《思玄赋》等。
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