（公元117年），在東漢的京都洛陽，一台利用水力推動的大型天文儀器——“水運渾象儀”製造成功了。這台儀器的主幹部分是一個大空心銅球，星辰布滿上麵，球的一半在地平圈下麵藏著，另一半露在地平圈上，如同人們看到的天穹一樣。儀器依靠漏壺流水的力量將齒輪係帶動起來，連帶著銅球（渾象）緩慢地運轉，旋轉一周花一天。到了夜裏，人們從儀器上可以觀察到星辰的起起落落，與現實中的天象完全一致。表演這個儀器在當時引起了極大的轟動。
時隔20年（公元138年），安置在京都洛陽的一台儀器——“地動儀”
突然傳出了清脆的聲響，一枚銅球從儀器上的一條龍嘴裏吐落出來，掉落在下麵承接的銅製蟾蜍口中，準確地報告了西方千裏之外發生的地震。這架在我國曆史上首創發明的儀器，就是傑出的科學家張衡創造的地動儀。在地動儀出現1700多年以後，歐洲才有了類似的測報地震的儀器。我國曆史上正式記載地震，就是從地動儀出現以後開始的。
長安和洛陽的遊學經曆
東漢章帝建初三年（公元78年），張衡誕生於南陽郡西鄂縣石橋鎮（今河南省南陽縣城北50裏）一個沒落的官僚家庭。他的祖父張堪是地方官吏，曾當過蜀郡太守和漁陽（今河北省冀縣一帶）太守。張堪為官清正廉潔，當時官場貪汙盛行，他不像其他官僚那樣大肆搜刮民脂民膏，所以也沒有什麼積蓄。張氏家族在當時的南陽是名門望族。張衡的父親很早就過世了。張衡小的時候，家道已經中落，有時甚至還靠親友們的救濟活著。
貧困的生活激勵張衡自幼好學。張衡的思想開闊，不喜歡受傳統觀念的束縛。當時一般士大夫人家的子弟，都必須讀《詩經》、《禮記》等儒家經典。
張衡少年時也熟讀過這些書，但他認為經書太束縛人們的思想。張衡最喜愛的是文學，對當時著名的司馬相如、楊雄等人的作品，都曾經下過一番工夫。
他不僅能深刻地理解，而且還能背誦。10多歲時，張衡已經讀了很多書，文章也寫得很好了。他不滿足這種閉門誦讀的生活，渴望到外麵去開闊眼界，尋求書本以外的知識。
和帝永元六年（公元49年），剛滿17歲的張衡便懷著遠遊的誌願，離開家鄉，踏上了遊覽名都大邑、求師問業的旅途。張衡遊曆的目的不是為了尋求功名。因而，他離開家鄉後沒有先去京都洛陽，而是去了漢朝的故都長安。長安城周圍的地區號稱“京兆”，加上長安附近的“左馮翊”和“右扶風”合稱三輔。京兆管理的地區相當於今陝西秦嶺以北、西安市以東、渭河以南一帶地方；左馮翊管理的地區為今渭河以北、涇河以東、洛河中下遊一帶地方；右扶風管理的地區相當於今秦嶺以北、涇河及西安市以西一帶地方。
三輔在西漢時是全國最富庶的地區，也是最高學府的所在地。張衡兩年間遊覽了三輔名山大川，考察當地的民俗、物產和曆史古跡，尤其對長安近郊的宮闕規模、市井製度、遠近商賈貨財的聚散、豪富王侯的故事等等，都有比較深切的認識。三輔的遊覽使張衡積累了豐富、新鮮的文學素材。張衡在安帝永初元年（公元107年）寫成的《二京賦》（包括《西京賦》和《東京賦》），多數素材都來自這次遊曆。
永元七年，張衡到了洛陽。他在洛陽住了五六年，但沒有結交貴族豪門，奔走鑽營，也沒有進當時最高的學府——太學，去專門師從某一經師鑽研一門經學。漢朝的太學以鑽研經學為主。青年儒生欲圖仕途之路，必需鑽研經義。但太學不是一般青年可以隨意進入的，除具備一定年齡條件外，還需得到縣令的推薦，郡太守的考察。張衡雖多才多思，但是未經郡太守的選送，是不可能作太學的正式弟子的。所以，張衡在京師僅是時常到太學裏去參觀或去拜訪各家經師，向他們虛心求教；另一方麵，張衡也可以不受拘束地多聞博學。由於他虛心好學，勤奮努力，進步很快，達到了貫通五經、六藝的地步，成為學識比較淵博的學者。《後漢書·張衡傳》中曾描述當時的張衡“雖才高於世，而無驕尚之情。常從容淡靜，不好交接俗人”。張衡的學識已經被很多人所賞識。永元年間（公元89－104年），地方上曾經推舉他做“孝廉”，但他不肯應命；朝廷屢次招聘他去公府做官，他也一律回絕。
在洛陽，張衡結識了不少朋友，這些人都是與他誌同道合的著名學者和優秀青年，如有名的詞賦家馬融、賢士竇章、政論家王符、學者崔瑗等。在這些人中，對張衡影響最大的是崔瑗。崔瑗在天文、數學、曆法方麵有精深的研究，他們經常一道研究問題，交流心得，感情最深。張衡以後研究天文、曆數等科學並獲得巨大成就，受他的影響最大。
早期的文學活動
在三輔一帶遊曆的時候，優美的驪山風景，特別是引人入勝的驪山溫泉深深吸引了張衡。他就寫了有名的《溫泉賦》。《溫泉賦》為張衡早期的文學創作，在《溫泉賦》中，他反複讚美溫泉周圍的景物，歌頌了美麗的“湯穀”，清新的春水。這篇《溫泉賦》一直流傳到現在，但裏麵有幾段文章已經不完整了。