提到中国古代优秀的天文学家，人们首先想到的肯定是张衡。那么张衡在天文学领域内的贡献有哪些呢？
张衡关于天文学的理论，主要体现在他的著作《灵宪》中。《灵宪》也是东汉天文学发展水平的体现。《灵宪》原书已经散佚，但主要部分因为被《后汉书·天文志》刘昭注所征引而传世。
在《灵宪》中，张衡系统全面地阐述了他的天文学观点。关于宇宙的起源，《灵宪》认为，宇宙最初是一派无形无色的精气，幽清寂寞，其中蕴含着“道根”。之后在太素的阶段里，道根发动，产生了“道干”。有了道干以后，元气开始分化，开始形成天地。他认为气有清浊，清者在外而为天，浊者在内而为地。有了天地以后，就进入到太元的阶段。在这个阶段里，由道干生化出“道实”。道实生化出无穷无尽的万事万物。张衡虽然试图去揭示宇宙的生成过程，但是他也强调了人所能认知的范围是十分有限的，在这个范围之外的宇宙是没有时间的起点和空间的边界的，“宇之表无极，宙之端无穷”。（《后汉书》第3216页）
在《灵宪》中，张衡把天想象成一个椭球：“八极之维，径二亿三万二千三百里。南北则短减千里，东西则广增千里。……通而度之，则是浑已。”天上有一个北极，枢星正好在这个位置上。日、月、五星都绕它旋转。天还有个南极，是在地底下，人不可见。人目所见的地表面是平的，正在天的中央，“自地至天，半于八极，则地之深亦如之”。（《后汉书》第3216页）在他心目中的天地仍然是“天圆地平”的模式。
张衡认为，天动地静，天施地合，万事万物因而发生。天地的运动也促使了四季的更迭。而整个天庭，与大地一一相应。尤其是列星，就是精气所生，“体生于地精，成于天列”。（《后汉书》第3216页）列星在天上的排列也是井然有序的，“紫宫为皇极之居，太微为五帝之廷，明堂之房，大角有席，天市有坐。苍龙连蜷于左，白虎猛据于右，朱雀奋翼于前，灵龟圈首于后，黄神轩辕于中”。它们象征着人世间的万事万物。
张衡和浑天仪
张衡在《灵宪》中对日月星辰进行了研究。张衡提出，日月的角直径是周天的“七百三十六分之一”，换算成现代角度单位，即为29′21″，这和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，误差都只有2′左右。以二千年前的观测条件而论，张衡的测量能如此精确，的确难能可贵。在张衡之前，人们对日蚀和月蚀已经有所研究，但对于月食形成的原因没有给出清晰的解释。张衡首先指出，月亮本身不发光，月亮的圆缺是由于其受光面发生转动的原因，而月食则是由于大地遮蔽的缘故。他还给大地的影子起了个名字叫“闇虚”。他说：“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。众星被耀，因水转光。当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓虚。在星星微，月过则食。”（《后汉书》第3216页）
张衡认为天上星辰的变动预示着世间的祸福，北斗在昭示着帝王的运命，散布四方的二十八星宿无不与人间的福祸有关，都是上天意志的显现。他认为天上的星斗，“常明者百有二十四，可名者三百二十，为星二千五百”。（《后汉书》第3217页）除此之外，天空中还有人所不能看到的“微星”一万一千五百二十颗。这个数字当然是张衡的推测，他认为这些“微星”象征了世间的芸芸众生。
