后来，张衡长大了，皇帝得知他文才出众，把张衡召到京城洛阳担任太史令，主要掌管天文历法的事情。为了探明自然界的奥秘，年轻的张衡常常一个人关在书房里读书、研究，还常常站在天文台上观察日月星辰。经过他的观察研究，他断定地球是圆的，月亮是借助太阳光的照射才反射出光来的。他还认为天好像鸡蛋壳，包在地的外面；地好像鸡蛋黄，在天的中间。他创立了浑天說，并根据浑天说的理论，制造了浑天仪，上面刻着日月星辰等天文现象。他设法利用水力来转动浑天仪，它转动一周的速度恰好和地球自转一周的速度相等。据传，在这个人造的天体上，可以准确地看到太空的星象。
　　世界上第一个能预报地震的仪器——地动仪
　　东汉时期，首都洛阳及附近地区经常发生地震。据史书记载，从公元89年到公元140年这50多年内，这些地区发生地震达33次。其中公元119年发生的两次大地震，波及范围达十多个县，造成大批房屋倒塌，人畜伤亡，人们对地震都十分恐惧。皇帝以为这是得罪了上天，因此增加人民赋税，用来举行祈祷活动。当时对天文、历法、数学都有很深的研究的科学家张衡，不相信关于地震的迷信宣传，他认为地震就是一种自然现象，只是人们对它的认识太少了。鉴于这种状况，他加紧了对地震的研究。
　　张衡细心观察和记录每一次地震现象，用科学的方法分析了发生地震的原因。经过多年的反复试验，公元132年，张衡制造出了中国乃至世界上第一个能预报地震的仪器，取名“地动仪”。
　　这架“地动仪”是用青铜铸造而成的，形状像一个圆圆的大酒坛，直径近1米，中心有一根粗的铜柱子，外围有八根细的铜杆子，四周浇铸着八条龙，八个龙头分别连着里面的八根铜杆子，龙头微微向上，对着东、南、西、北、东北、东南、西北、西南八个方向。每条龙的嘴里含着一个小铜球，每个龙头的下面，蹲着一只铜蛤蟆，它们都抬着头，张大嘴巴，随时都能够接住龙嘴里吐出来的小铜球。哈蟆和龙头的样子十分搞笑，好像在互相戏耍。人们就用“哈蟆戏龙”来形容“地动仪”的外貌。按照张衡的设计，如果哪个方向发生了地震，“地动仪”的铜杆就会朝哪个方向倾斜，然后带动龙头，使那个方向的龙嘴张开，小铜球就会从龙嘴里吐出来，掉到蛤蟆嘴里，发出“当”的一声，向人们报告那个方向发生了地震，以便朝廷做好抢救和善后工作。
　　公元133年，洛阳发生地震，张衡的“地动仪”准确地测到了。此后四年里，洛阳地区又先后发生三次地震，张衡的“地动仪”都测到了，没有一次失误。但是公元138年2月的一天，张衡等人发现，向着西方的那条龙嘴里的小铜球，掉进了下面哈蟆的嘴里，但人们却丝毫没有感觉到地动，于是一些本来就对“地动仪”持怀疑态度的学者就说“地动仪”不准，只能测到洛阳附近的地震。过了三四天，洛阳西部甘肃省的使者来了，报告那里发生了地震。这时候，人们才真正相信张衡的“地动仪”不仅仅是“哈蟆戏龙”，而是真正有用的科学仪器。
　　从此以后，中国开始了用仪器远距离观测和记录地震的历史。这项伟大的发明，比欧洲早1700多年。