张衡是一位具有多方面才能的科学家。他的成就涉及到天文学、地震学、机械技术、数学乃至文学艺术等许多领域。
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。
关于三个轮子可以自转的机械，古来就有不同意见。南宋学者王应麟认为是一种记里鼓车。这种车利用一组齿轮系把大车转动时车轴的运动传递到一个木人的手臂上，使它过一里路时敲一下鼓。这个设想看来不大符合“三轮可使自转”的意思。敲鼓的动作一般是不当作转动看的。另一种意见则认为是一种指南车。清代王先谦《后汉书集解·张衡传》中引《宋书·礼志》：“指南车，其始周公作，张衡始复创造”（按：这是《宋书·礼志》的摘引，实非原文）。因此，指南车的形象更符合于“自转”的用词，因为不管下面轮子怎么转，车上的人只见到指南车木人的手指在自动地转向南方。
总之，张衡在机械技术方面非常高明。《太平御览·工艺部九》引晋代葛洪《抱朴子》：“木圣：张衡、马钧是也。”高似孙的《纬略》也说“张衡、马忠号‘木圣’。”
数学
《后汉书》提到，张衡曾写过一部《算罔论》。此书迟到唐代已经失传，以至唐代的章怀太子李贤怀疑张衡没写过这部书，而是因为《灵宪》是网络天地而算之，故称《灵宪算罔论》。从《九章算术·少广》章第二十四题的刘徽注文中得知有所谓“张衡算”，因此，张衡写过一部数学著作是应该肯定的。从刘徽的这篇注文中可以知道，张衡给立方体定名为质，给球体定名为浑。
他研究过球的外切立方体积和内接立方体积，研究过球的体积，其中还定圆周率值为10的开方，这个值比较粗略，但却是中国第一个理论求得π的值。另外，如果按照钱宝琮对《灵宪》的校勘：“（日月）其径当天周七百三十分之一，地广二百三十二分之一”，则当时π值等于730/232=3.1466，较10的开方有精密了。但钱宝琮所作的校勘似乎未必都符合张衡的原来数字。
绘画
张衡认为画家喜欢一些非现实的东西，因为可以借此虚构和想象，他在汉顺帝阳嘉年间一篇上疏中就说：“譬犹画工，恶图犬马而好作鬼魅，诚以事实难形，而虚伪不穷也。”张衡的绘画作品今不存，唐张彦远《历代名画记》称他”高才过人，性巧，明天象，善画。“又记有：“张衡作《地形图》，至唐犹存。”
