地动仪诞生于汉朝的发明，是张衡发明的。张衡所处的时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年间，共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、房屋倒塌、江河泛滥，造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态，他经过长年研究，终于在阳嘉元年（公元132年）发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。
张衡，字平子，东汉时南阳西鄂人，是我国古代杰出的科学家。也是世界上最早的家之一。
张衡的祖父曾经担任蜀郡太守等职，后来家道却中落了。张衡从小过着较为贫的生活。张衡从少年时学习就很刻苦，后来到都城洛阳的太学，访师交友，探讨学问，阅读了不少的书籍。在他三十七岁的时候，开始担任太史令的官职，专为朝廷观测、记录天象，选择“黄道吉日”和记载全国各地发生的某些自然现象。这些工作不能不促使张衡对于天文、历法乃至地震等自然现象进行广泛的研究。
张衡在天文学方面的成就最为突出。他认真地研读过扬雄的《太玄经》，从中受到很大启发又深入学习和研究了当时天文学的最新成就，并通过多年的实际观测和研究，最后写成了一部天文学的巨著《灵宪》。
原来，我国自古以来，对于宇宙天体的看法，就有三种不同的论点。一种是“盖天说”，又称“天圆地方说”。认为天是圆的，象一把张开的伞，地是方的，象一个棋盘。一种是“宣夜说”。认为天没有一定形质，日月星辰都浮游在天空之中。另一种则是“浑天说”。认为天地的形状象个鸟蛋，天象蛋壳，地象蛋黄，天和地的关系就象壳包着黄那样， 所以叫做“浑天”。张衡就是“浑天说”的主要代表。
在《灵宪》中，张衡大胆地对天象提出了许多新的见解。他说，“月光生于日之所照”，“当日则光盈，就日则光尽也”。正确地说明了，月亮本身并不发光，它的光是受到太阳的照射后反射出来的。月亮对着太阳的时候，是满月，背着太阳的时候，月亮就不见了。他从日、月、地球所处的不同位置，对日月蚀的成因，作了我国最早的科学解释。张衡还对在中原地区能够用肉眼观测到的星数做了精确的统计，指出较亮的星二千五百颗，常明星一百二十四颗，叫得上名字的星三百二十颗。这个数字和现代天文学家所统计的，在同一地方，同一时间能用肉眼看到的星数为 2500-3000颗，基本相同。他在《灵宪》中绘制的标明星体位置的《灵宪图》，是我国最早的一张星图。
在张衡以前，已经有人制造过观测天象的“浑天仪”。公元117年，张衡根据他的“浑天说”，创制了比以前都精确全面得多的一架“浑天仪”。“浑天仪”是一个可以转动的空心铜球。铜球外表刻有二十八宿和其他一些恒星的位置；球体内有一根铁轴贯穿球心，轴的两端象征北极和南极球体的外面装有几个铜圆圈，代表地平圈、子午圈、黄道圈、赤道圈。赤道和黄道上各刻有二十四个节气。凡是张衡当时所知道的重要天文现象，都刻在“浑天仪”上面了。为了使浑天仪”能自行转动，张衡又利用水力推动齿轮的原理，用滴壶滴出来的水力发动齿轮，带动空心铜球绕轴旋转。 铜球转动一圈的速度和地球自转的速度相等。浑天仪旋转时，刻在它上面的天象依次表示出来，和天体上星球的运动十分相象。这样，人坐在屋子里，便能从“浑天仪”上看到天体运的情况。
张衡把他对天体构造、各种天象的看法和他制作水运浑天仪的方法等，专门写成一篇《浑天仪图象》加以介绍。另外，张衡还改进过测定天体位置的浑仪。
从公元89年到140年，五十年左右的时间内，东汉都城洛阳和陇西一带，共出现过三十三次地震。特别是公元 119年，洛阳和其他地区连续发生了两次大地震，促进了张衡加紧对于地震现象的研究。他终于在公元132年，发明并制造出了我国第一架测报地震的“地动仪”。这架“地动仪”通体铜铸，形状很象一个大酒樽。樽顶上有凸起的盖子，可以打开。樽的外部装饰有篆文和山龟鸟兽等花纹，上面铸着八条龙龙头按照东、南、西、北、东北、东南北、西南八个方向排列；每个龙嘴都衔有一个小铜球，并在它的下面蹲着一只铜制的、头向上仰、张着嘴的蛤蟆。 “地动仪的内部，有根叫做“都柱”的上粗下细的铜柱。“都柱”周围伸出八根横杆（曲杠杆），分别和八个龙头的上半部衔接。哪个方向发生地震，地震波传来，“都柱”就会倒向地震发生的那个方向，压在曲杠杆的下端，由曲杠杆再牵动龙头， 将龙嘴里的铜球掉到蛤蟆的嘴里，并发出清脆的响声。这样，看守仪器的人便能知道地震发生的日期和方向了。
张衡制造的这台“地动仪”，相当灵敏准确。公元138年的一天，“地动仪”正对西方的龙嘴突然张开，铜球落了下来。可是住在洛阳的人丝毫没有感到有什么地动，有些学者怀疑“地动仪”的灵验。但是过了几天，便有人从陇西赶来报告说，那里在几天前发生了地震。于是人们“皆服其妙”了。陇西距洛阳有一千多里，“地动仪”能够精确地测知那里的地震，它的精密程度已经达到相当高的水平。
张衡在气象学方面，还创造了一种测定风向的仪器一一“候风仪”，又叫“相风铜鸟”。是在一根五丈高的竿顶上安放一只衔着花的铜鸟，可以随着风向转动。鸟头所对，便是风的方向。这个仪器和欧洲装在屋顶上的“侯风鸡”相似。在地理学上，张衡还绘制过《地形图》。此外，张衡还能文善画。张衡的治学态度非常认真、刻苦，“如川之逝，不舍昼夜”，几十年如同一日。这正是他博学多才，成就为一个大科学家的“秘诀”。