他是宇宙結構理論中渾天說的代表人物。他認為天好像一個雞蛋殼，地好比雞蛋黃，天大地小；天地各乘氣而立，載水而浮。他雖然認為天有一個硬殼，卻並不認為硬殼是宇宙的邊界，硬殼之外的宇宙在空間和時間上都是無限的。他在《靈憲》這篇著作中，一開頭就力圖解答天、地的起源和演化問題。他認為天地未分以前，混混沌沌；既分以後，輕者上升為天，重者凝結為地。天為陽氣，地為陰氣，二氣互相作用，創造萬物，由地溢出之氣為星。他用「近天則遲，遠天則速」，即用距離變化來解釋行星運行的快慢。
張衡不但注意理論研究，而且注重實踐，他曾親自設計和製造了漏水轉渾天儀、候風地動儀。渾天儀相當於現在的天球儀，原是西漢時耿壽昌發明的。張衡對它作了改進，用來作為渾天說的演示儀器。他用齒輪系統把渾像（見渾儀和渾像）和計時漏壺聯繫起來，漏壺滴水推動渾像均勻地旋轉，一天剛好轉一週。這樣，人在屋子裡看渾像，就可以知道哪顆星當時在什麼位置上。候風地動儀製成於順帝陽嘉元年（公元132年），是世界上第一架測驗地震的儀器。他的「候風地動儀」和三國人物諸葛孔明的「木牛流馬」是現今被公認的無法仿造出來的，並超越當時時代智慧的工具。
張衡還對許多具體的天象做了觀察和分析。他統計出中原地區能看到的星數約2，500顆。他基本上掌握了月食的原理。他測出太陽和月亮的角直徑是周天的1/736，即29′24〃，同太陽和月亮的平均角直徑31′59.〃26和31′5.〃2相差不多，可見張衡的測量是相當準確的。張衡認為，早晚和中午的太陽，其大小是一樣的；看起來早晚大，中午小，只是一種光學作用。早晚觀測者所處的環境比較暗，由暗視明就顯得大，中午時天地同明，看天上的太陽就顯得小。好比一團火，夜裡看就大，白天看就小。
據《後漢書•張衡列傳》記載，他共留下科學、哲學、文學方面的著作三十二篇，列傳中全文收進去的有兩篇，即《應閑賦》和《思玄賦》。這兩篇賦確實反映了張衡的思想境界。前者表明他的為人和治學態度；後者則是一篇難得的人類到星際旅行的隨想：「出紫宮之肅肅兮，集大微之閬閬。命王良掌策駟兮，逾高閣之鏘鏘。建罔車之幕幕兮，獵青林之芒芒。彎威弧之撥剌兮，射嶓(bo)塚之封狼。觀壁壘於北落兮，伐河鼓之磅石良 。乘天潢之泛泛兮，浮雲漢之湯湯。倚招搖、攝提以低回戮流兮，察二紀、五緯之綢繆遹皇。」（譯文：我走出清幽幽的「紫微宮」，到達明亮寬敞的「太微垣」；讓「王良」驅趕著「駿馬」，從高高的「閣道」上跨越揚鞭！我編織了密密的「獵網」，巡守在「天苑」的森林裡面；張開「巨弓」瞄著了，要射殺嶓塚山上的「惡狼」！我在「北落」那兒觀察森嚴的「壁壘」，便把「河鼓」敲得鼕鼕直響；款款地登上了「天潢」之舟，在浩瀚的銀河中游蕩；站在「北斗」的末梢回過頭來，看到日月正在不斷地迴旋。） （註：以上引號內的內容是古代天文星座。）
張衡的《思玄賦》顯示出他元神離體後星際旅行的過程，不難看出這是他之所以知道地球是球體而非無限平面的原因。這也是他能提出符合宇宙結構的渾天說的原因所在。他走的是和現今實證科學完全不同的研究宇宙的方法。同時，我們不難看出，張衡的成就是與他的為人和治學態度緊密相關。
參考書目：
《中國大百科全書（天文卷）》
《張衡年譜》
