公元78年，张衡出生在山清水秀、风景优美的南阳西鄂(现在的河南省南阳市卧龙区石桥镇夏村)。少年时期，由于父亲的早逝，家里的生活十分清苦。贫困的生活，不仅没有影响他的求知欲望，反而更加激励他刻苦忘我地学习。
张衡十多岁的时候，就读了很多书，写一手好文章，在远近已经小有名气。
好学多闻的名气传到地方官那儿，地方官找来张衡说：“我看你才学出众，想推荐你去做‘孝廉’‘博士子弟’，怎么样?”17岁的张衡，拒绝了地方官的推荐。他认为不能成天待在家乡读那些古文经传，更不能去追求做官发财，他要到实践中去探求科学的真理。
于是，张衡收拾好行装，离开家乡，踏上了游览名都大城、访师求学、探索科学真理的征途。
骊山脚下的不朽名篇
公元94年，张衡来到关中观览西京(长安)名胜，游览了西汉时最高学府所在地三辅(现在的陕西中部地域，包括今陕西省西安市往东到华阴、蓝田一带，加上长安临近的“左冯翊”和“右扶风”，合称三辅)。他跋山涉水，往来游息于坦荡肥沃的渭河平原上，观览了巍峨青翠的终南山和奇险峻峭的华山，接触了关隘和城镇，考察关中的民间风俗习惯、土质和物产以及古代的遗迹、当代的事物，尤其对长安城郊的宫阙规模、市井制度，远近商贾财货的集散，富豪、游侠、王侯的故事等等，都有较深切的认识。通过这次游览，张衡积累了丰富、新鲜的文学素材，为他后来写作《二京赋》奠定了坚实基础。
公元95年，张衡游罢秦始皇陵，在骊山脚下写下了不朽名篇《温泉赋》，描写了骊山“汤谷”的优美，春水的清新。他那字字句句的吟哦，散发着无尽的才思，抒发了他热爱祖国山川，热爱生活的胸臆。这是他留传至今最早的文学作品。
丰富的游学经历
公元95年，18岁的张衡，来到了繁华的洛阳城。张衡在游学长安、洛阳期间，为了增长科学文化知识，他不辞辛苦，求师访友，结识了许多着名学者和优秀青年：有擅长辞赋文学、弹琴吹笛的音乐家马融;有谦虚勤朴、名闻当世的贤士窦章;有学识渊博、潜研时务、着有30多篇政论名着的王符;有学习过天文、数学、历数等学问、豪侠英俊的青年崔瑗……
这些有为青年对张衡都有着很好的影响和帮助。特别是崔瑗，他与张衡的友情较深，经常在一起研究问题，交换心得。后来张衡进一步研究天文、物理等科学，也是受了崔瑗的很大影响。
张衡不停地走，不停地看，不停地积累，他的知识越来越丰富，志趣也越来越高涨，5年来的游学生活使这个少年才子终于找到了人生的方向。
亲手制作天文仪器
张衡摸到了科学的大门，从此更加用功了。他读书认真刻苦、力求甚解，善于从古籍中吸取精华。从公元108年到111年，张衡一直在自己的家里夜以继日地专心进修学业。
一天夜晚，已经是五更天了，月落星稀，即将破晓，张衡还在聚精会神、不知疲倦地钻研着扬雄的《太玄经》，看到书里面涉及好多有关天文、历法、数学的知识。他读着读着，发现这样一段话：“阈无谓之宇，辟宇谓之宙。日月往来，一寒一暑。律则成物，历则编时。律历交替，圣人以谋。”张衡顿觉心胸豁然开朗。
茫茫无际的宇宙在吸引着张衡，他对此产生了极大的兴趣，开始对天文、数学、历法等科学理论进行学习和研究。
他不知疲倦，一边忘我地读书，一边刻苦实践，制造出了许多的科学仪器，对天文现象进行了详细的观察和长期的测量。当时了解张衡的人，对他刻苦好学、坚忍不拔的毅力，更是钦佩。他的朋友崔瑗曾称赞他的学习态度是“如川之逝，不舍昼夜”。
天才出于勤奋
公元97年，张衡根据在长安洛阳游学时，从各方面收集来的资料，开始了他的名着《二京赋》的写作。在《二京赋》的写作中，张衡的精神更是感人。他十年如一日，孜孜不倦地埋头写作。
时间不停地流逝，张衡仍然忘我地沉浸在《二京赋》的写作中。远离家乡的游学生活，使他十分窘困，在他已经近乎无法生存的时候，仍然坚持写作，一时也没有间断。恰巧，就在这个时候，有位黄门侍郎鲍德到南阳郡去做太守，邀请张衡去助理郡政。为了维持生活，为了学习和写作，张衡应邀做了南阳的主簿。
他充分利用时间，年复一年，度过了一个个严寒酷暑，经过十年艰苦创作，写了又改，改了又写，不断补充，洋洋万言、内容丰富、辞藻瑰丽、富有浓厚“恤民”气息的《二京赋》，终于在公元107年得以完成。这是他“迅发以宏富”、“精思博会”的杰作。
在《二京赋》中，充分表现了张衡横溢的才华和朴素的唯物论观点，它斥责了大城市里统治阶级荒淫奢侈的生活，震动了当时的文坛。天才出于勤奋。张衡多年辛勤的汗水，不仅换来了文学上的业绩，而且也赢得了科学上的丰硕果实。