张衡勤敏好学，博识多能，天文、历法、算术、文学、绘画、地理、历史、木工、辞赋无一不通，无一不精。在任太史令期间，悉心研究天文、历算，著《灵宪》、《□罔论》等科学著作。并先后发明和制作了举世闻名的浑天仪和地动仪。又曾上疏反对当时流行的谶纬迷信，写有《请禁绝图谶疏》。 张衡的文学作品主要是辞赋和诗。他的散体大赋以《西京赋》、《东京赋》最为有名。这两篇赋合称为《二京赋》，是他早年入京后有感于“天下承平日久，自王侯以下莫不逾侈”而作。题材体制均模拟班固《两都赋》，但结构更为宏阔，思想艺术上也显示出某些特色。赋的主旨是规讽统治阶级，有些议论颇为深刻切直。如告诫统治者切莫“剿民以□乐，忘民怨之为仇”，警告他们要知道“水所以载舟，亦所以覆舟”的道理。表现了作者对当时社会危机的深刻忧虑和对人民力量的理解。《二京赋》中描述了以前的同类大赋从未记载的若干新事物，如它对都市商贾、侠士、辩士的活动以及杂技和角□百戏的演出情况等都有所反映。有些片断描写生动，如《东京赋》中“濯龙芳林”以下一段，仿照《子虚赋》，按东、西、南、北方位铺写景物，语句清新，极富文采。《西京赋》中写平乐广场观“角□之妙戏”一段，记述各种技艺的表演，宛如目睹，且是中国古代极珍贵的杂技艺术史料。

作为一位文理兼修的大家，以科学家身份名垂后世的张衡，同时又是一位重要的文学家，作品具有独创性，尤长于诗赋。

张衡17岁时离开家乡南阳，出外游历，访师求学，到达当时经济繁荣、文化发达的西汉故都长安，后来又在洛阳居住五、六年。沿途的山川风物、历史古迹，以及参观京城太学和结交文人学友，大大丰富了他的阅历、开拓了他的视野，为之后创作《二京赋》打下基础。东汉永初元年（107年），29岁的张衡“精思博会，十年乃成”《东京赋》和《西京赋》，总称《二京赋》。《二京赋》在模拟班固《两都赋》的基础上，注入新鲜内容，特别对封建统治者的穷奢极欲进行了讽刺，警告统治者不要乐极生悲，不要结怨于民，牢记“水所以载舟，水所以覆舟”。此外，张衡的小赋具有抒情的特点，打破了汉赋敷陈描写的老一套，将汉赋从长篇大论的堆砌文字转变为抒发心灵的短小篇章，为后来魏晋抒情小赋的大量出现打下了基础。

除《二京赋》外，另著有《南都赋》、《温泉赋》、《归田赋》、《思玄赋》、《四愁诗》等名篇，今人张震泽注有《张衡诗文集校注》。