张衡，字平子，南阳西鄂县人。世代为当地显著的名望家族。祖父名张堪，任蜀郡太守。
张衡少时就善于写文章，稍长他到故都长安及其周围的三辅地区游览考察，后来到了了东汉都城洛阳，在当时最高学府太学里学习，因此精通《诗》、《书》、《易》、《春秋》五经，通晓礼、乐、射、御、书、数六艺。他虽然学识渊博，才华出众，却没有骄傲之情。喜欢过平淡安静的生活，不爱与一般人交往。
汉和帝永元年间，地方上曾推举他做孝廉，他没有就任。三公官府连续几次招聘他去做官，他都不去上任。当时国家太平的时间较久，因而从王侯以下的文武百官，没有一个不过于奢侈的。
于是张衡模仿班固作的《两都赋》即《西都赋》和《东都赋》)，撰著《二京赋》以委婉曲折的语言劝谏朝廷。历时十年才写成功。大将军邓骘爱慕他的才华，屡次招他进京做官，都被他拒绝了。
永元十二年，南阳太守鲍德邀请张衡，张衡作了他的主簿，掌管文书工作。
八年后，鲍德调任京师，张衡即辞官居家。
张衡擅长机械制作方面的技巧，尤其善于研究天文、阴阳和历算。平时爱好并沉溺于《太玄经》之中，他对崔瑗说“我学习《太玄经》，才知道扬雄极妙的天文哲学和天文历法知识，《太玄经》可与《五经》相题并论，不象记载传闻一类的书，使人难以深究阴阳之学，这是汉朝建立二百年来难得的好书。再过二百年，大概更加完善，作者的学问技艺，必然流传于世，这是符合常理的。到汉朝建立四百年时，玄学还是要兴盛起来的。
汉安帝素常听说张衡善于天文历法及阴阳之学，永初五年，张衡由公车官署特别征召，授予郎中官职，后来又升为太史令。
于是张衡研究核实日月星辰及天体运转规律。他精于天文，制作了用以观测和计算天体位置的浑天仪，撰写了天文学著作《灵宪》和网罗天地计算的《算罔论》，写的都很详细明确。
汉顺帝刘保初年，张衡变换官职，后又官复原职，仍任太史令。张衡不羡慕功名富贵，所任官职，常常多年不迁升。自从离开史官的职务五年后，又回到原职。于是他用设主客问答的文体，撰写《应间》)一文，回答别人因他未能升官而引起的非难，该文大略说‘’
以往就曾长久地任太史令不得升迁，现在又回来担任原职。虽然老子说委曲才能保全自己，前进如同后退，然而还是需要以不进来争取前进的。一定是你的技艺有所缺陷，而且学非所用，因此就出现面对要过河而渡船却没有桨的情况。而白白地锐意钻研天文历法，作浑天仪，著《灵宪》，显示出了独特的智慧，但对治国理民又有何用呢，因此，我曾被见识浅陋的儒生诽谤。
我对这些人答复说‘’为什么看到同一事物而见解不同呢，人格高尚的人不惧怕地位不受尊崇，而惧怕道德不崇高； 不耻于俸禄多少，而耻于知识不渊博。所以技艺应该学习，而且要努力地去学习它。天子高悬爵位，谁能得到它则全在于命运，或许不去追求它的反而自己来了，或许渴望得到它的反而达不到目的，苦苦追逐没有益处，因此有见识的人面对它而并不总是想着它。
自己总想靠侥幸得到荣禄是危险的，那是十分贪婪人的行为，还没有得到就早已丧失了。想以小有所取而获得较大利益的行为，这是有道德修养的人绝不会去做的。
越王勾践所作的“冒愧逞愿”之事，结果使帝王基业几乎不能长久地相传下去。用巧诈的手段很快达到不正当的目的，我不愿走那样的路，谋求晋升官职，苟且求荣，我不愿缩着肩膀去奉承讨好，取悦于别人的赏识，虽有犀牛皮制造的坚舟及劲桨，别人渡河了，我却尚要等待。
为人处事只有尊奉自然和顺的原则，格守忠实笃厚的信条，做官食禄，得之不以为荣，得不到不以为耻。对名利视而不见，心中便不会失去清明，身处低位而不忧愁，这确实是具有高尚道德的人所时刻注意的事。
我的生活态度与世不同，虽然只自己一人如此，但仍坚持不懈地追求。您担忧才能得到重用，我却恨轮扁的斫轮技艺不能用语言来传授给别人。
你看到雕琢成器的木雕能独自高飞，怜悯我不能升迁高官而再次任史官之职，我却感叹你丢弃井底之蛙的固陋之见，却又去迁就鸱鹗嗜好腐鼠的口味，可悲你先笑而后又号哭啊。
汉顺帝阳嘉元年，张衡又创制了测定风向和地震方位的侯凤地动仪。
后来陇西一带发生地震，与地震仪上测到的地震完全吻合。这件事发生在公元138年2月3日，这是世界地震史上第一次被测定的地震。
此后，朝廷便命史官用这个方法记载地震的情况。
阳嘉二年，张衡升任侍中，顺帝任用他在自己身边对国家的政事提出意见。宦官们担心张衡日后会成为他们的祸害，于是就群起毁谤张衡。张衡常想着如何立身行事。认为吉凶祸福，幽暗深微，不易明白，于是作《思玄赋》，以表达和寄托自己的情志。
永和元年，张衡外调任河间王刘政的国相。到任后，张衡严整法纪，打击豪强，一时上下肃然，他为政以清廉著称。
三年后，张衡上书请求辞职归家，被征召拜为尚书。
永和四年，张衡逝世，享年六十二岁。
宋徽宗大观三年，张衡因算学方面的成就被北宋追封为西鄂伯。
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