為了使渾天儀能夠按照時刻自己轉動，張衡又把渾天儀和一組滴漏壺聯係起來。滴漏壺是我們祖先用來測知時刻的儀器，它用一個特製的器皿盛著水，這器皿下麵有小孔，水通過小孔，一滴一滴地流到刻有時刻記號的壺裏去，因而可以由壺裏的水的深淺知道是什麼時刻。張衡把滴漏壺和渾天儀聯在一起，利用壺中滴出來的水的力量，來推動齒輪，齒輪再帶動渾天儀，一天一轉。這樣，他就使渾天儀上所刻的天文現象按時刻而自動地呈現出來。人們在屋子裏看渾天儀，就可以知道什麼星已從東方升起，什麼星已到中天，什麼星就要向西方下落等等。這說明張衡除了天文以外，對機械原理也有精到的研究。
張衡的這個創造發明，後來經過唐朝的一行和梁令瓚、宋朝的張思訓和蘇頌等的發展，製成了世界上最早的天文鍾。
張衡創製的渾天儀原來放在東漢政府的靈台上，一直保存到魏晉時代。西晉末年發生戰亂，銅儀被移到長安。418年，劉裕軍隊攻進長安城，獲得了這架儀器，但已經殘缺。此後它就不知下落了。
除了渾天儀以外，張衡在世界科學史上另一個不朽的創造發明——地動儀，就是他在第二次擔任太史令期間完成的。
據史書的記載，漢朝從96年到125年這30年期間，有23年曾經發生過大地震，尤其是公元119年（漢安帝元初六年）發生的兩次大地震，造成了很嚴重的災害。當時人們因為缺乏科學知識，對於地震非常懼怕，以為是神靈在主宰。張衡並不這樣想。他細心研究這個問題，經過長期的努力，終於在他55歲的時候（132年），發明了可以測定地震方向的地動儀——世界上第一架地震儀。
由於封建統治者不重視科學，張衡的地動儀後來不知在什麼時候毀失了。
為了弄清楚張衡製造地動儀的原理和地動儀的構造，後代的科學家曾經加以研究。近年根據《後漢書》中《張衡傳》的記載，運用現代科學知識，終於弄清楚了張衡當時製造地動儀所應用的原理，並據此製造了一個地動儀的木質模型，現在陳列在我國首都北京的中國曆史博物館裏。
張衡的地動儀，原來是用青銅製造的，形狀像一個大酒樽，圓徑有八尺。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表麵刻著篆文、山、龜和鳥獸等花紋。儀器的周圍鑲著八條龍，龍頭是朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南八個方向排列的，每個龍嘴裏都含著一顆銅球。每個龍頭的下方鑄了一個蛤蟆，它對準龍嘴張著嘴巴，像等候吞食物一樣。當地震發生時，哪個方向發生了震動哪個方向的龍頭因為受到震動就張開了嘴，把銅球吐出，落到蛤蟆張開的大嘴巴中。銅球落到蛤蟆嘴裏的時候發出了響亮的聲音，人們聽到聲音就可以來檢視地動儀，看哪一個方向龍嘴的銅球吐落了，就可以知道哪一個方向發生了地震。這樣一方麵可以記錄下正確的地震材料；同時也可以朝著地震的方向尋找災區，做一些搶救工作，減少損失。
地動儀的內部構造大體是這樣的：在儀器樽形部分的中央，豎立著一根很重的銅柱，銅柱底尖、上大，張衡叫它做“都柱”。在都柱的四周圍連接了八根杆子，杆子按四麵八方伸出，直接和八個龍頭相銜接。這八根杆子就是今天機械學上所說的“曲橫杆”。
平時地動儀平穩地放著，都柱也垂直豎立在儀器的中央。但因為都柱上粗下細，重心高，支麵小，像一個倒立的不倒翁，這樣就極易因受震動——即使是微弱的震動——而傾倒。遇有地震發生，譬如東方發生地震，東麵的地殼自然發生波動，震波影響都柱，易於傾倒的都柱自然倒向地殼震動的方向。沉重的都柱向東倒去後，於是推動了東方的橫杆，橫杆推開含有銅球的東麵的龍嘴，龍嘴因而吐出了銅球。
除了地動儀以外，張衡還創造了另一個氣象學上的儀器，就是候風儀。以前許多人以為，“候風儀”和“地動儀”是一種儀器，然而據最近科學家的研究證實，地動儀和候風儀是兩種儀器。
關於張衡的候風儀，現在沒有留下什麼記載，我們無從知道它比以前的候風儀究竟有什麼重大的改進和特殊創造的地方。但有一點現在已經明確，就是張衡的候風儀是一隻銅鳥，和地動儀一起設在靈台上麵。這與現在外國的風信雞大約是相類似的東西。但外國的風信雞到12世紀的時候才有，比張衡的候風銅鳥要遲一千多年。
張衡在其他各科學術方麵也有很大的成就。首先，在機械製造方麵，張衡在人民大眾勞動生產經驗的基礎上，曾經利用水力推動木片製造成活動日曆，也曾製造過指南車。這些東西現在都已失傳。據科學家的研究，他是運用差動齒輪原理製成的，但實際情況我們無從知道。