蔡伦在研究如何改进造纸法时，有一位二十多岁的青年科学家在进行另外一项有重大意义的科学研究工作，他想要探索天体运行和地震的规律，这位科学家就是张衡。张衡字平子，南阳（今河南南阳市）人。东汉时候的学者、文学家、我国古代杰出的科学家，世界上最早的伟大天文学家之一。
张衡幼年时家境贫困，经常要靠亲友接济度日。艰苦的生活更激发了他发奋学习、立志成才的精神。他在可能的条件下，博览群书，无论天文、地理、文学、数学，只要是能找到的书，他都读。这种读书习惯一直伴随了张衡一生。
34岁那年，张衡被推荐到洛阳，做了朝廷的郎中。由于工作比较清闲，他利用工作之便又看了不少书。其中他最受启发的是一本西汉学者扬雄写的《太玄经》。这本书里谈到许多天文和数学方面的问题。因此，张衡对天文和数学发生了浓厚的兴趣。事情凑巧，公元115年时，汉安帝刘祜听说张衡学识渊博，把37岁的张衡调任太史令，主管天文、历算，专为朝廷观测、记录天文，选择“黄道吉日”，记载全国各地发生的某些自然现象，其中很重要的是各地发生的自然灾害。这项工作为张衡钻研天文、历法创造了方便条件，他以毕生精力钻研这门科学，对我国、对世界的天文学发展，做出了巨大的贡献。
东汉时候，我国经常不断地发生地震。根据历史记载：从汉和帝永元八年（公元96年）到汉安帝延光四年（公元125年）的30年中，我国几乎连年发生地震。在那个封建迷信的时代，一切天灾人祸人们都认为是触犯了上天，触犯了鬼神。张衡是唯物论者，他不信什么上天，更不信鬼神，他认为地震与刮风下雨、雷声电闪一样，只不过是一种比较可怕的自然现象，人们重要的是研究和掌握地震的规律，以至能够预测或尽早了解地震发生的地区，以减轻地震带给人类的灾难和损失。
张衡下决心要在地震研究方面有所突破。他为了掌握地震的情报，得到比较完整的准确的地震记录，经过多次试验，终于在公元132年，发明并制造出了我国也是世界上第一架测报地震的仪器——“地动仪”。
这架地震仪是用精铜铸成，直径8尺，形状像个大酒坛，坛顶上有个突出的盖子，可以打开，坛下部雕刻着山龟鸟兽的花纹。坛内部有一个中枢机械“都柱”——一根上粗下细的柱子。柱子紧挨着8道机关，和8道机关相连接的是仪器外围镶着的8条头朝下的龙，8条龙的龙头分别对准东、东北、北、西北、西、西南、南、东南8个方向。每个龙头的嘴里都衔着一个铜球。对准龙嘴蹲着8个铜蛤蟆、昂着头，张着嘴，像期待着什么。如果什么地方发生了地震，仪器中间的立柱就倒向震区所在的方向，随即触动那个方向的机关，连接在那个机关上的龙头就张开嘴巴，吐出铜球，铜球即掉进蛤蟆的嘴里，并发出“当啷”的响声，给管理人员报信，告知震源的方向。
张衡研制的这台地动仪，相当灵敏、准确。公元138年的一天，地动仪西北方向的龙嘴突然张开，铜球准确无误地落到了蛤蟆嘴里，管理人员随即报告“西北发生地震”。但当时住在洛阳的人丝毫没有感觉到，人们开始表示怀疑。但是没过几天，便有人从陇西赶来报告，说那里发生地震。经核对，时间正是龙头吐球之时，人们这才信服了地震仪，赞叹它的灵敏，千里之外发生地震，居然能感之如此准确！
张衡发明地动仪，是世界上最早的测定地震方法的仪器，欧州在公元1880年才制造出类似的用水银溢流记录地震的仪器，比张衡晚了1700多年。张衡发明的地动仪，也是人类历史上用科学方法观测地震的开始，它揭开了地震科学的新纪元。