东汉章帝建初三年（78年），张衡诞生于南阳郡西鄂县一个破落的官僚家庭。他自幼天资聪颖，好学深思，十六岁外出游学，遂通瞻五经六艺，学贯天地阴阳，为此后取得的各项学术成就打下了坚实基础。自担任南阳主簿起，张衡一生的大部分时间都在仕途上辗转飘浮，虽然没有大起大落，但也充满了忧患和坎坷。其间，职位有升有降，几经变迁。初拜郎中，迁尚书侍郎，后迁为太史令，转公车司马令，复转太史令。阳嘉中，升至侍中，因不愿与戚宦势力同流，遭谗言诋毁，而出为河间相。为相三年，治威严，整法度，其政治思想得以短暂实施。进入暮年之后，心系隐遁归田，上书乞骸骨，却被征拜尚书，再次入京。顺帝永和四年（139年），张衡卒于尚书任上，后归葬于家乡南阳西鄂县。1988年1月，其墓地被国务院公布为全国重点文物保护单位。
于显乐都，既丽且康，陪京之南，居汉之阳。割周楚之丰壤，跨荆豫而为疆，体爽垲以闲敞，纷郁郁其难详。尔其地势，则武阙关其西，桐柏揭其东，流沧浪而为隍，廓方城而为墉，汤谷涌其后，淯水荡其胸，推淮引湍，三方是通。
——张衡·《南都赋》
南阳，北倚雄伟峻拔的伏牛山，西扶地势险要的秦岭，东揽起伏连绵的桐柏山，孕淯水而南达江汉。这里山清水秀，土地肥沃，四季分明，气候温和，人杰地灵，历史悠久。其地理环境非常优越，是中华民族早期文明的发祥地之一。早在四、五十万年前，“南召猿人”就在白河上游的杏花山与小空山一带繁衍生息，并创造了灿烂的上古时代文明，在今南阳境内留下了大量的原始社会村落遗址和石器时代的文化遗存。夏代，南阳已经立国封户，为“有南氏”居地。商代，武丁以南阳为前哨阵地，“奋伐荆楚”。周成王时，封熊绎于楚蛮，赐以子男之母，居丹阳（今南阳淅川李官桥一带），淅川渐成楚文化的摇篮。春秋战国时期，南阳称为宛城，其经济文化已非常发达，特别是冶铁技术远近闻名，盛产剑矛刀戟。《荀子·议兵篇》称“宛钜（钢铁）铁釶（铁矛）惨如蜂趸”《荀子》，潘嘉卓等译注，意思是南阳炼制的铁制兵器锐利得如同蜂尾上的毒刺。公元前272年，秦始置南阳郡，郡治宛已经发展成为著名的大都会。《史记·货殖列传》中载：“南阳西通武关、郧关，东受汉、江、淮。宛亦一都会也。”西汉时期，南阳地区的工商业活动在整个国家中有着举足轻重的地位，成为全国9个设置工官和46个设置铁官的地区之一。《盐铁论》载：“宛、周、齐、鲁商遍天下，富冠海内。”可见当时南阳经济在全国范围内的影响力。公元25年，刘秀借赤眉、绿林运动之力，恢复汉室天下，巩固一统大国，建立了东汉王朝，定都洛阳。东汉王朝建立后，为了巩固其统治地位，结束动荡的社会局面，恢复工农业生产，采取安抚的统治策略，即以“柔道”治天下。政治方面，对开国的武将，给予优厚待遇，但不给实权；重用节操高尚、熟悉典章而又有治国之才的文臣；扩大尚书台（在东汉时，实际上成为最高决策施政机构）权力，加强监察制度，集军权于中央，进一步加强中央专制集权。经过半个世纪的努力，社会得以安定，民生得以恢复，户口得以增加，经济得以发展。各方面又呈现欣欣向荣的气象，到张衡青少年时期，东汉帝国已成为世界上经济、文化、军事最强大的国家。东汉时期，南阳有着区别于其他郡治的特殊政治地位。东汉的开国皇帝——光武帝刘秀生于南阳，起兵于南阳，其所用的文臣武将又多生于南阳一带，故南阳与当时的旧都长安，首都洛阳鼎足而立，号称南都、帝乡，是东汉三大经济、文化、政治中心之一。“河南帝城多近臣，南阳帝乡多近亲”《后汉书·刘隆传》，【南朝宋】范晔著。
南阳不仅是刘秀的故乡，走出了二十八宿等诸多功臣，还走出了三位皇后（光烈皇后、和帝的阴后、邓后）。“国庙出于章陵，三后生自新野”《后汉书·王畅传》，【南朝宋】范晔著，兰州大学出版社2004年版，“皇亲国戚不可胜数，王侯将相第宅相望”《荆州记》，【南朝宋】盛弘之著，谭麟点注，武汉大学出版社1992年版。特殊的政治地位，为南阳在经济、文化、人文、社会等方面的发展提供了得天独厚的条件。据《汉书·地理志》载，西汉时南阳郡辖36县，359116户，1942051人，而《后汉书·地理志》载，辖37县，528551户，人口亦增加至2439618人，成为东汉时的全国第一大郡。南阳将相云起，人杰星耀，官吏按籍贯分布，南阳居全国之冠。而在社会各方面做出贡献的，也人才济济。潘守廉总纂《新修南阳县志》卷十一《人物》云：盖方是时，宛为陪京，帝业所基，英俊之伦，应运而起。卓茂孔休，以德行重；洼丹宗意，以经术显；吏治则任诞、张堪、宗均；强直则左雄、朱季；文学则张衡、朱穆；独行则李善、董班；将帅则吴汉、陈俊、任光、李通；星历则李守；医术则张机，并皆卓卓见于传记，可不谓盛欤！东汉统治者常派得力的官员，着力经营南阳，兴修水利，发展工商业，推行儒家文化教育政策，创造了南阳良好的政治社会环境。东汉时期到南阳任职的太守在出身、政绩、操守、才能以及与朝廷的关系方面，都有着与其他郡太守不同的特征。他们出身世家，饱读经书，经过朝廷严格挑选，在职位上大多能履践儒家“先富民而后教之”《十三经注疏·尚书正义》，【清】阮元校刻，中华书局1979年版的政纲，劝民农桑，教民礼仪，举荐人才，惩治强暴，做出了不凡的业绩，使南阳始终保持着东汉王朝的经济、文化中心地位。其中影响较大的有杜诗。杜诗，字君公，办事干练、果敢，很受光武帝赏识。他任南阳太守后执法严厉，“诛暴立威”《后汉书·杜诗传》，【南朝宋】范晔著，兰州大学出版社2004年版，惩治了一批作恶多端，民愤极大的地主豪强。同时，带领郡内百姓兴修水利，发展农业生产，政绩卓著，深受百姓爱戴，“时人方于召信臣，谓前有召父，后有杜母”《后汉书·杜诗传》，【南朝宋】范晔著，兰州大学出版社2004年版。杜诗也是一位很有建树的机械发明家。他为了提高生产效率，推广铁器农具，亲自带冶铁工匠，设计制造了水排，利用水力带动风馕向冶铁炉鼓风，这不仅大大节省了人力，而且提高了功效。《后汉书·杜诗传》载：“后造水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之。又修治陂池，广拓土田，郡内比室殷足”《后汉书·杜诗传》，【南朝宋】范晔著，兰州大学出版社2004年版。南阳在汉代科技比较发达，这对张衡成为世界级的科学家也产生了一定的影响。杜诗的水排是人类利用自然力为生产服务的一个创举，它利用齿轮、曲柄、连杆机构，把圆周运动改变成拉杆的直线反复运动。后来张衡制作的漏水转浑天仪，就巧妙地运用了水力作为动力，地动仪内部的装置利用了曲柄、连杆的原理，包括指南车、计里鼓车等也利用了齿轮的传动作用。汉代，南阳的天文学也比较发达，迄今出土的众多汉代画像石、砖也证明了这一点。这些汉画像中有众多的天文图像，如日食图、日月合壁图、苍龙和白虎图、北斗七星图、嫦娥奔月图等。席泽宗先生在为《南阳汉代天文画像石研究》一书所做的序中认为：南阳是我国出土汉代画像石的四个主要地区之一，而天文画像之多又为南阳汉画像的一大特点，至今发现的约有五十多幅。这些画像刻成的时间，有许多是在张衡出生之前。汉代的画像石或画像砖是一种民间工艺品。作为建筑材料和艺术品，它是汉代丧葬风俗的物化系统，既反映当时的天文学水平，也反映当时人们对许多天象的解释，这种解释与当时的意识形态有密切的关系，具有国家的、民族的或地区的特色。这些艺术品出自普通工人之手，并且普遍地被装饰在墓葬之中，它表明当时天文学知识的普及。幼年的张衡生活在这样的环境中，一定会受到影响。这些天文学知识，无疑在张衡的心灵上打下了深深的烙印，为他以后在天文学上取得成就奠定了良好的基础。
