中國古代的科學技術，與農耕立國這個基本事實相聯係，科學性是建立在對技術的實用性要求基礎之上的。秦漢先人有領先世界的科學技術，卻少有精密高深的理論總結。重實用而輕理論，對中國科學技術的發展有利有弊。但是不可否認，古代中國的科學技術，曾遙遙領先於世界其他各國和地區。兩漢時期是各項科學技術發展突飛猛進、科技發明燦若群星的輝煌時代。
天文曆算的進步
兩漢時期天文學得到了長足的發展，初步形成了中國的天文學體係。其中尤為突出的是獨具特色的曆法體係的形成。天文曆法的進步促進了數學的發展，中國古典數學體係形成，出現了一批著名的數學家和數學著作。
《太初曆》
漢初沿用秦以來的“顓頊曆”，至武帝時才有曆法變革，其標誌性成果是中國第一部記載完整的曆法—《太初曆》。《顓頊曆》更多的是出於政治考慮，它以每年十月為歲首，使得農事的開始與曆法的歲首相差一季，很不適合農業生產的需要；且使用年代長久，誤差累積漸大，以至於朔日、晦日出現新月，而滿月不出現在望日，曆法與天象不合。針對這些問題，改革曆法勢在必行。元封年間（前118～前104)，司馬遷等上書建議改曆。武帝予以同意，並詔公孫卿、司馬遷等人議改曆法。但是隨後他們的改曆建議遭人質疑，於是武帝又下令重新招募鄧平等20多人，再議新曆，頒行天下，定名為《太初曆》，並將元封七年（前104）改元為太初元年。《太初曆》以天文實測為基礎，開創古代曆法“觀天製曆”、以天驗曆的良好傳統。其采用夏正，即以正月為歲首，與一年農事起始時間相符，也與人們以春夏秋冬四季為一年的習慣相符合。它規定以無中氣之月（即月中無節氣）為閏月，比年終置閏更合理，使月份與節氣相對固定。《太初曆》開創記錄日食、月食周期的先河，也極大推進了對日月食規律的研究。可以說，一部《太初曆》，就是當時天文學年鑒和天文年曆，中、西方曆法的不同特色，也從此形成。
三家論天
古人探索宇宙的結構，起源很早，至漢代形成了“三家論天”的局麵。成書最遲不晚於武帝時的《周髀算經》一書，是我國古代著名的天文曆算之書。全書以對話形式展開，問答相間，總結先秦時代及秦漢時期我國在天文學和數學方麵取得的成就。此書在天文方麵係統闡述了宇宙結構理論的“蓋天說”，即天空像個鬥笠，大地如同翻扣的盆；在數學方麵，該書記載了用標竿測日影以求日高的方法，勾股定理由此得以發現。“渾天說”是在使用儀器測量天體位置的基礎上產生出來的一種宇宙結構學說。張衡的《渾儀注》對此表達最為清晰：天在外，地在內，“天之包地，猶殼之裹黃”；天地因“氣”而立，載水而浮，天表內則充滿水。作為探索宇宙的理論，“渾天說”有其巨大成功之處。
但“渾天說”與“蓋天說”都是有限宇宙的模型，而另一種理論“宣夜說”，則是將宇宙無限思想發展成一種宇宙結構學說的代表。“宣夜說”使用推理的方法，認為各種天體其實都浮生於虛空之中，“氣”是日月五星運動的動力，並沒有什麼東西係著它們。從宇宙結構來說，“宣夜說”是比較科學的學說，但由於它對諸多問題沒有解釋，故影響不大。“蓋天說”與“渾天說”，實際上成為中國古典天文學關於宇宙結構的基本看法。
張衡與地動儀
張衡（78～139），字子平，南陽西鄂（今河南南陽石橋鎮）人。張衡極富文學才華，寫出了著名的《西京賦》和《東京賦》；他又是中國曆史上傑出的科學家之一，發明了指南車、地動儀、渾天儀等儀器，其中又以候風地動儀最為有名。
順帝陽嘉元年（132），張衡發明地動儀，這是世界上第一台可測地震方位的儀器。它利用物體慣性原理來收集震波，探測地震波的主衝方向，從而測出地震的發生方位。其基本構造符合物理學原理，是現代地震儀的先驅，遙遙領先於世界各國。這台用精銅鑄造的地動儀，外形如同酒樽。器體內部中央豎有一根銅柱，稱為“都柱”。圍繞都柱設有8組與儀體相連接的杠杆機械，即“八道”；“八道”又與儀體外麵設置的8條顯示方位的垂龍龍頭上頜接合。遇有地震，震波傳來，“都柱”會向發生地震的方向傾斜，使該方位的龍嘴張開，銅球落入同方向下麵的蟾蜍口中，發出聲響，用以警報，即“一龍發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在”。儀器造好後安置在洛陽，但人們始終將信將疑。永和三年（138），西方銅球落下，但當時洛陽並無震感。過了幾天，等到隴西發生地震的消息傳遞到京師後，人們才開始相信地動儀的準確性。