在此期间，张衡已经在天文、阴阳、历算等领域取得了极高的成就，尤其对《玄经》的研究更是如痴如醉。当时，大将军邓骘十分赞赏张衡的才华，多次向他发出征召，但张衡却始终不为所动。终于，在永初四年（公元 110 年），张衡完成了他的杰作——《南都赋》。这部作品以其华丽的辞藻和深邃的思想，展现出张衡卓越的文学才华和深厚的文化底蕴。
元初二年（公元 115 年），张衡被任命为太史令，负责掌管天文、星历、术算以及典籍等诸多事务。自此之后，他迈入了自己科学创造力最为蓬勃、科学成果最为斐然的辉煌时期。
仅仅两年后，即元初四年，张衡成功发明出一种由水力驱动的浑天仪。在此期间，他还相继撰写了《地形图》《浑仪图注》《漏水转浑天仪注》《灵宪》《灵宪图》《算罔论》等一系列著作，而其中的《灵宪》更是成为了我国首部天文学理论巨著。
时光荏苒，在建光元年（公元 121 年），太后邓绥驾崩，汉安帝开始亲自执政。张衡随即转任公车司马令，肩负起宫廷中司马门的警备与接待之责。在这段时间里，他又完成了《与特进书》《同周兴议历》《东巡诰》《日蚀上表》等重要作品的创作。
张衡从不贪图功名利禄，即使多年来一直未能得到升职加薪，但依然坚持自己的原则。终于，在顺帝永建元年（公元 126 年），张衡重新担任了太史令一职。
然而，张衡的才华远不止于此。在阳嘉元年（公元 132 年），他凭借着惊人的创造力发明了世界上第一台能够测量地震方向的仪器——地动仪！这一伟大发明让世人对他的智慧和才能赞叹不已。
不仅如此，张衡还曾经研制出用于观测气象的仪器——候风仪，以及能够自动转向的三轮指南车和自动起飞的木雕。这些发明无疑展示了他在科学技术领域的卓越成就。
面对当时盛行的“谶纬之学”，张衡毫不畏惧，毅然上疏《论贡举疏》，深刻揭露了谶纬的荒谬之处。在此期间，他还创作了众多杰出的作品，如《顺帝封事》《鸿赋并序》《舞赋并序》《羽猎赋》《陈事疏》等，充分展现了他在文学方面的深厚造诣。
阳嘉二年（公元 133 年），张衡升任了侍中一