像蛋黄，天把大地包在当中，大地是平面的，周围是水，大地浮在水上。他改进西汉耿寿昌的设计，制造了浑天仪，并着有《浑天仪》一卷加以解说。浑天仪一具安装在室内，一具安装在观测台「灵台」之上。浑天仪以铜铸造，是空心球体，直径约五尺，上画二十八宿、中外星官及黄道、赤道；天球半露在地平圈上，半隐在地平圈下，天轴则支架在子午圈上，天球可绕天轴自行转动，与实际天球运动相一致，可预报天体运动情况；其外安装了地平环、赤道环和子午环，内部设置四游环。有学者认为，张衡的浑天仪上面装置了可以眺望天体位置的望筒，兼具演示和观测效用；也