1、发明地动仪，早在公元132年，张衡就研发了世界上最早的震后测量仪器，名叫候风地动仪。据后汉书记载，仪器整体由铜制成呈圆形顶端凸起，直径大概有八尺，外围还用各种文字鸟兽图案来装饰，也很像当时的酒杯，仪器内有八个柱子，安装驱动机关，仪器外有八条含着铜珠的龙，位居八方，每条龙下都有蟾蜍地震发生后，相应方向的龙珠便坠落，被蟾蜍之口所接。

2、改进浑天仪，早在西汉时期，耿寿昌就制造出了浑天仪，张衡在此基础上进行改进，使得浑天仪更加精准。张衡改进的浑天仪整体是一个直径大概四尺多的铜球，在球上刻着二十四节气、南北极、二十八星宿以及黄赤道等元素，形成了浑象（和现在天球仪类似），通过机械装置，来连接漏壶和浑象，就可以用漏壶的流水来运转浑象，就可以得到天体运动，时令节气的规律。

3、发明瑞轮荚，瑞轮荚是一个自动日历，张衡是模仿了冥荚（传说中一种神树）来制作它的，以流水来驱动，每月从初一到满月每天会现出叶子一片，之后从满月到月末，每天又会收叶子一片，循环往复。