浑天仪是古代观测天象的仪器。东汉时期，关于宇宙的学说主要有盖天说和浑天说两种，盖天说认为地是平的，天像一只碗扣在地上。浑天说认为天像蛋壳，地像蛋黄。相较而言，浑天说有较多的支持者，他们制作了不少观测天象的仪器，被称为浑天仪，比如汉武帝时期的落下闳就曾经制作过浑天仪。而张衡在继承和发展了前人成果的基础上，对浑天仪进行了改造。他先是用竹篾做了一个小模型，称作小浑，用了整整一年的时间，进行了多次试验、改进之后，才用铜铸而成。
更巧妙的是，张衡还设计了一个叫做“瑞轮蓂荚”的机械装置。所谓瑞轮是指月亮，蓂荚则是传说中的一种神草。根据《竹书纪年》的记载，这种神草生长在古代圣王尧的时代，月朔之日，也就是每个月的农历初一开始，每日长出一片叶子，半个月就长十五荚，十六日之后，又一天掉一荚，到月晦之日，也就是每个月农历的最后一天，叶子就掉完了。如果碰上这个月是少一天的小月，那么最后那片叶子就会凋零但是不掉落。因为这种草可以指示出日期和月相，所以又叫“历荚”。张衡根据这个传说制造了一种机械装置，能够“随月盈虚，依历开落”，说是当时的活动日历也不为过。
在汉顺帝初年，经过两次转任之后，张衡又当上了太史令，并发明了地动仪。有时候，人们也将地动仪称为侯风地动仪，但实际上，侯风仪是张衡在气象学方面的一项发明，可以用来测风的方向，和西方屋顶上的侯风鸡类似，但却比西方要早一千多年。
在机械制作方面，根据《太平御览》记载，张衡曾经制作过木鸟。这个木鸟不仅有翅膀，而且在鸟腹中有机关，借助机关和翅膀，木鸟可以飞数里地。此外，张衡还制作过一种有三个轮子，可以自转的机械，有人认为这是一种记里鼓车，但也有人认为这就是指南车。这些灵巧的机械都已经失传了，但书籍中留下的相关记载足以证明张衡在机械制作中的高超技艺。晋代的葛洪将张衡和一位三国时期的机械大家马钧称为“木圣”。