地动仪剖面图
关于张衡在自然科学方面所取得的成就，前文已几次提及。这里，仅介绍他于东汉顺帝阳嘉元年（132年）发明的“候风地动仪”。这是世界上第一台观测地震方位的仪器。《后汉书·张衡传》对这台仪器有较具体的描述。据记载，地动仪“以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊”。里面的结构，主要有立于中央部位的“都柱”（相当于一种倒立型的振摆）和它周围的“八道”（振摆周围的八组机械装置），外面相应地设置八条口含小铜丸的龙，每个龙头下有一只张口向上的蟾蜍。一旦发生比较强烈的地震，“都柱”因震波的冲击失去平衡，震波从哪一个方向来，“八道”中哪一个方向的一道就被触动，使相应的龙口张开，小铜丸就落入下面蟾蜍口里，观测的人就知道在什么时间、什么方向发生了地震。地动仪制成后，安置于当时的都城洛阳灵台。
据记载，汉顺帝永和三年（138年）二月初三日，地动仪西侧一条龙突然吐出铜丸。当时京城的人们没有感到有地震发生，于是便议论纷纷，认为张衡发明的地动仪不灵。但是不久，陇西（今甘肃东南部）有人飞马来报，说那里二月初三日的确发生了地震。这说明张衡的地动仪是比较准确的。在《续汉书·五行志》中，对于陇西发生的这次地震有如下记载：“金城、陇西地震，裂城廓，室屋多坏，压杀人。”据分析，这次地震的震级在六级以上。这也是人类历史上第一次用仪器来观测地震。在国外，直到13世纪，在波斯马拉哈天文台才有了类似的仪器。到18世纪，欧洲才出现了利用水银溢流来记录地震的仪器。