鲍德为南阳太守，在职九年。调为大司农，病卒。张衡在鲍德调离南阳后，没有跟着他走。这时朝廷上是邓太后临朝，邓氏兄弟秉权，做出招举士人的模样，张衡不为所动。但张衡还是有书信和邓骘保持联系。
两任太史令。《思玄赋》、《四愁诗》和《归田赋》安帝早知张衡“善术学”，就于永初五年（公元111年）以公车特请他到京都来，给以亲近的郎中职位。这时（前一年）朝廷刚成立一个校订典籍的组织，“诏谒者刘珍及《五经》博士，校定东观《五经》、诸子、传记、百家艺术，整齐脱误，是正文字”①。东观在洛阳南宫，是皇家的藏书处。当时有名的学者如马融、窦章等都在这里，为校书郎。张衡没有在东观校书，他由郎中迁为尚书郎，再迁为尚书侍郎。元初二年（公元115年）又迁为太史令，这年他三十八岁。这个职官主管天文、历法等等，对他是合适的，他在这方面早有修养，新任职守又给他创造了进一步钻研的条件。这样，从理论到实践，他就不断地有所贡献了。张衡第一次为太史令共六年。经过公车司马令五年的转折，从顺帝永建元年（公元126年）再为太史令，又七年。前后十三年的专业职守，使他的科学事业日益巨大而显著。顺帝阳嘉元年（公元132年）即复为太史令的最后一年，他发明了“候风地动仪”，即地震仪。这是世界上地震仪的鼻祖。此事载之《后汉书·安帝纪》，可见当时受到的重视。
作为科学家和文学家的张衡，并不是不关心政治的。顺帝时，尚书令黄琼上疏言事，颇致力于腐朽内政的改革。张衡在这种朝气复萌的形势下，亦自陈其思想政治上的主张。自光武帝以来，图谶成为统治者欺骗人民的工具。张衡愤其虚妄，首先上疏论其言而无征，实为少数妄人欺世愚民捏造出来的把戏。他以秦至西汉末的历史事实，证明本无图谶，则知图谶成于哀平之际。后来有些人所言某些灾异，亦无事实效验。因此他主张“宜收藏图谶，一禁绝之，则朱紫无所眩，典籍无瑕玷矣”。这些议论在当时是很大胆的，没有多少人敢说，而且儒者们一直在“争学图谶”。这时朝政大权已由外戚转移于宦官集团。张衡复上疏言事。但张衡作为太史令，不在公卿之位，他的几篇奏章，虽都言之成理，一律是无效的。这样，他对政事就愈来愈没有兴趣了。
顺帝即位后，张衡再转为太史令。这职务在他为专业对口，但也说明了他长久官升不上去，总不能没有一点感慨。于是他仍用与客谈话的形式，作《应间》赋，表达了他的仕途不得意的情绪。
①《后汉书·安帝纪》。
阳嘉元年，张衡发明地震仪。次年，迁为侍中。他接近了皇帝，进言的机会多了。而宦官们则怕张衡告他们的状，揭发他们的丑恶，常以凶恶的目光威胁他。因此当顺帝问他事时，张衡就情不自禁地简单说了几句不明不白的事。但宦官们始终不放心张衡在顺帝身边，共同诬陷，一意要驱逐他离去。本来张衡就受老庄思想影响，以为人的吉凶祸福，幽微深藏于无形之中，说不定哪一天要得祸，因此又作了一篇《思玄赋》，开始说：仰先哲之玄训兮，虽弥高其弗违。匪仁里其焉宅兮，匪义迹其焉追？潜服膺以永靓兮，绵日月而不衰。伊中情之信脩兮，慕古人之贞节。竦余身而顺止兮，遵绳墨而不跌。志团团以应悬兮，诚心固其如结。旌性行以制佩兮，佩夜光与琼枝。镌幽兰之秋华兮，又缀之以江蘺。美襞积以酷烈兮，允尘邈而难亏。既姱丽而鲜双兮，非是时之攸珍。奋余荣而莫见兮，播余香而莫闻。幽独守此仄陋兮，敢怠遑而舍勤。幸二八之遻虞兮，嘉传说之生殷；尚前良之遗风兮，恫后辰而无及。何孤行之茕茕兮，孑不群而介立？感鸾鹥之特栖兮，悲淑人之稀合。这是一首骚体赋，学屈原《离骚》，坚持自己的理想而不可得，则云游上下四方，以至于天上。
