瑞轮荚是张衡别出心裁创造的自动日历，它模仿神话中奇树蓂荚的特征，靠流水作用，从每月初一开始，一天出现一片叶子，到满月出齐15片，然后每天再收起一片，到月末为止，循环开合。这个神话曲折地反映了尧帝时天文历法的进步。张衡的机械装置就是在这个神话的启发下发明的。听谓“随月盈虚，依历开落”，其作用就相当于现今钟表中的日期显示。
张衡制造的指南车利用机械原理和齿轮的传动作用，由一辆双轮独辕车组成。车箱内用一种能自动离合的齿轮系统，车箱外壳上层置一木刻仙人，无论车子朝哪个方向转动，木人伸出的臂都指向南方。
张衡创造的计里鼓车是用以计算里程的机械。据《古今注》记载：“记里车，车为二层，皆有木人，行一里下层击鼓，行十里上层击镯”。记里鼓车与指南车制造方法相同，所利用的差速齿轮原理，早于西方1800多年。
张衡制作独飞木雕，是模仿鸟类高空翱翔的滑翔翼型设计。
张衡也研究过地理学，根据他研究和考察的心得，画过一幅地形图。唐张彦远《历代名画记》卷三云：“衡尝作地形图，至唐犹存。”
历法
张衡曾参加过在汉安帝延光二年（公元123年）的一次历法大讨论，据《后汉书·律历志》记载，张衡时任尚书郎。这次大讨论的起因是，有人从图谶和灾异等迷信观念出发，非难当时行用的较科学的东汉《四分历》，提出应改用合于图谶的《甲寅元历》。又有人从汉武帝“攘夷扩境，享国久长”出发，认为应该倒退回去采用《太初历》。张衡和另一位尚书郎周兴对上述两种意见提出了批驳和诘难，使这二宗错误意见的提出者或者无言以对，或者所答失误，从而为阻止历法倒退做出了贡献。张衡、周兴两人在讨论中还研究了多年的天文观测记录，把它们和各种历法的理论推算进行比较，提出了鉴定，认为《九道法》最精密，建议采用。的确，《九道法》的回归年长度和朔望月长度数值比《太初历》和东汉《四分历》都精密。
而且《九道法》承认月亮运行的速度是不均匀的，而当时其他的历法都还只按月亮速度均匀来计算。所以，《九道法》所推算的合朔比当时的其他历法更符合天文实际。只是如果按照《九道法》推算，将有可能出现连着3个月是30天的大月，或连着两个29天的小月等的现象。而按千百年来人们所习惯的历法安排，从来都是大、小月相连，最多过17个月左右有一次两个大月相连，绝无3个大月相连，更无2个小月相连的现象。所以，《九道法》所带来的3大月或2小月相连的现象对习惯守旧的人是难以接受的。这样，张衡、周兴建议采用《九道法》本是当时最合理、最进步的，但却未能在这场大讨论中获得通过。这是中国历法史上的一个损失。月行不均匀性的被采入历法又被推迟了半个多世纪，直到刘洪的《乾象历》中才第一次得以正式采用。
《灵宪》是张衡有关天文学的一篇代表作，全面体现了张衡在天文学上的成就和发展。原文被《后汉书·天文志》刘昭注所征引而传世。文中介绍的天文学要点如下：
张衡认为宇宙是无限的，天体的运行是有规律的；月光是日光的反射，月蚀起因于地遮日光，月绕地行且有升降。他认识到太阳运行（应是地球公转）的某些规律，正确解释了冬季夜长、夏季夜短和春分、秋分昼夜等时的起因。他指出在中原可以见到的星有2500个，与今人所知略近。他经过对某些天体运转情况的观测，得出一周天为三百六十五度又四分度之一的结论，与近世所测地球绕日一周历时365天5小时48分46秒的数值相差无几。
文学
张衡是汉赋发展史具有巨大贡献，在他作赋的生涯中，较全面地继承了前代赋家的赋心与表现手法。大赋则远绍司马相如《子虚》，近取班固《两都》而有《二京赋》；骚赋则上追屈原《离骚》、下踪班固《幽通》作《思玄赋》；七体则步枚乘《七发》、傅毅《七激》作《七辩》；文赋则依东方朔的《答客难》、班固的《答宾戏》作《应间》。其他还有受扬雄《蜀都赋》启发作《南都赋》；效傅毅《舞赋》而再作《舞赋》等。以上所举，虽皆属模拟，成就又有高下之分，但也都确实不同程度地显现出了艺术上的创意。更突出的还在于张衡能融汇贯通，极富创造性地以《归田赋》，实现了汉赋主体从铺采摛文、闳衍巨侈、重体物而淹情志，向清新爽丽、短小精练、情境相生的转变，而掀开了抒情小赋的创作时代，为述志赋注入巨大活力。张衡的大多数作品都表现出对现实的否定与批评，他探讨人生玄妙哲理，也探寻合于自己理想与性格的生活空间 。张衡赋的代表作历来公认为是《二京赋》、《思玄赋》和《归田赋》。
《文心雕龙》称“自扬（扬雄）马（司马相如）张（张衡）蔡（蔡邕），崇盛丽辞，如宋画吴冶，刻形镂法，丽句与深采并流，偶意共逸韵俱发。” 又称“张衡通赡，蔡邕精雅，文史彬彬，隔世相望。是则竹柏异心而同贞，金玉殊质而皆宝也。”
张衡曾著有《周官训诂》，崔瑗认为与其他儒生的说解没有区别。他又想继孔子《易》补正《彖》、《象》的残缺，始终没有完成。他所著诗、赋、铭、七言及《灵宪》、《应间》、《七辩》、《巡诰》、《悬图》（一作《玄图》）等作品，共三十二篇。
《汉诗》辑录有其诗歌九篇。 《隋书·经籍志》有《张衡集》14卷，久佚。明人张溥编有《张河间集》，收入《汉魏六朝百三家集》。《全后汉文》卷52—55辑录有其诗赋奏疏。 上海古籍出版社出版有今人张震泽注《张衡诗文集校注》。
史学
汉安帝永初（107年—113年）年间，谒者仆射刘珍、校书郎刘騊駼等人在东观撰集《汉记》，因而考定汉家礼仪，上疏请求让张衡参加讨论，适逢二人逝世，张衡平时叹息，想完成这件事。等到他任侍中时，上疏请在东观专门收检遗文，全力补缀。又条上司马迁、班固所记与典籍不合的十多件事。还认为王莽本传，只应记载篡夺皇位而已，至于编年月，记灾祥，应改称为《元后本纪》。认为更始帝居位，人民没有什么异议。光武帝最初是更始帝的将领，后来才即位，应该把更始年号建在光武之前。上书数次，都没被采纳。后来的著述，多未详见于典籍，时人感到遗憾。
刘勰在《文心雕龙》中对此曾评价说：“张衡司史，而惑同迁固，元平二后，欲为立纪，谬亦甚矣。寻子弘虽伪，要当孝惠之嗣；孺子诚微，实继平帝之体；二子可纪，何有于二后哉？”
思想
东汉谶纬之学风行于世，自东汉建国后，儒生争学图纬，更附以妖言。张衡认为图纬虚妄，不是圣人之法。于是上疏认为“国谶虚妄，非圣人之法。”并认为“此皆欺世罔俗……宜收藏国谶。一禁绝之。” 翦伯赞在《中国史纲要》中称张衡为“反谶纬的思想家。”
机械
张衡掌握高明的机械技术，据传他当时还制做过两件神奇的器物。一件是有三个轮子的机械，可以自转；一件是一只木雕，能在天上飞翔。
关于木雕，《墨子· 鲁问》就有记载：“公输子削竹木以为鹊。成而飞之，三日不下。”《列子·汤问》和《韩非子·外储说》都记载说，墨子本人也造过能飞的木鸢。这些木鹊或木鸢大概是一种鸟状的风筝。不可能是其他装有动力机的、如今日飞机之类的飞行器。因为当时还不可能有连续运行一日乃至三日之久的动力机。张衡的木雕，大概也是一种风筝。不过，北宋类书《太平御览·工艺部九》引《文士传》中一段记载说：“张衡尝作木鸟，假以羽翮，腹中施机，能飞数里。”这里说到“腹中施机”，而且“能飞数里”，因此，过去有的作者认为是一种飞机类的飞行器。但装在飞行器上的动力机必须重量足够轻而马力足够大，并且还要求飞行器本身具有一定的适宜起飞上升的形状等等，这些条件在张衡时代没有一条是能做得到的。所以，张衡的木雕即使真的“腹中施机”，那么，这种机也不会是动力机，而是一种装在风筝上用线控制飞行的操纵机构。 …
