张衡一生所著的天文学著作，以《灵宪》最为著名。这是一部积多年的观察研究写成的一部天文巨著，也是世界天文史上的不朽名作。该书全面阐述了天地的生成、宇宙的演化、天地的结构、日月星辰的本质及其运动等诸多方面，将中国古代的天文学水平提升到了一个前所未有的新阶段，并对后世产生了深远的影响。

一、阐述了宇宙的起源和结构。关于天地的生成问题，《灵宪》认为天地万物是从原始的浑沌未分的元气发展来的。元气最初浑沌不分，后来才始分清浊，清气和浊气相互作用，便形成了宇宙。清气所成的天在外，浊气所成的地在内。这种天体演化思想，是从物质的运动来说明宇宙的形成，认为宇宙结构不是亘古不变的，而是不断发展变化的。

二、宇宙的无穷尽观。虽然张衡把天比作一个鸡蛋壳，把地比作蛋壳中的鸡蛋黄，但他并不认为硬壳是宇宙的边界。张衡认为，人们目之所及的宇宙世界是有限的，但在人们目之所及之外呢，张衡進一步明确提出在“天球”之外还是有空间的。他说：“过此而往者，未之或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之端无穷”。就是说，我们能够观测到的空间是有限的，观测不到的地方是无穷无尽，无始无终的宇宙。这段话明确地提出了宇宙在时间和空间上都是无穷无尽的思想。

三、月食的成因。在浑天说的基础上，阐述了月食的原因。张衡在《灵宪》中写道：“月光生于日之所照；魄生于日之所蔽。当日则光盈，就日则光尽也。”他认为，月亮本身是不发光的，而是太阳光照射到月亮上，月亮才折射出光，太阳光照不到的地方则出现亏缺，即“月有阴晴圆缺”。如果月亮進入地影（张衡将地影取名叫“暗虚”），就会发生“月食”。

四、测日和月的平均角直径值。张衡实测出日、月的角直径是整个周天的1／736，转换为现行的 360度制，即29度21分”，这与近代天文测量所得的日和月的平均角直径值31＇59”和31＇5”相比，绝对误差仅有2＇。在两千多年前，没有现代科学技术水平及观测条件，这个数值可以说是相当精确的。

五、重制载星三千的新星表。张衡在认真观察天体的基础上，对前人留传下来的几种星表作了整理、汇总，建立了恒星多达三千的新星表。据《灵宪》记载，其中“中外之官常明者百有二十四，可名者三百二十，为星二千五百，而海人之占未存焉”。张衡所制星表，不仅大大超于前人，也为后世所不及。遗憾的是，因汉末战乱，张衡所制星表失传。晋初陈卓建立的星表，有星1464颗，仅为张衡的一半。到清朝康熙年间，通过望远镜观察，数目才过三千。

六、五星的运动。关于五星的运动问题，张衡提出：日、月、五星是在天地之间运行，而非在天球壁上运行。并且，这七个天体运动的速度各不相同，“近天则迟、远天则速”。所谓天，是指设想中的天球壁，也就是说距地近则速度快，距地远则速度慢。按照五星距地的远近及运行的迟速，他将五星分为两类：水、金二星，距地近，运动快，附于月，属阴；火、木、土三星，距地远，运动慢，附于日，属阳。他还将星体运行方向分为顺行、留和逆行。

《灵宪》留给人们的不仅仅是张衡杰出的天文成就，更应该给人思索：在两千多年前，中国古代科学何以能达到如此水平？