张衡下决心要在地震研究方面有所突破。他为了掌握地震的情报，得到比较完整的准确的地震记录，他经过多次试验，终于在公元132年，发明并制造出了我国也是世界上第一架测报地震的仪器——“地动仪”。
这架地震仪是用精铜铸成，直径8尺，形状像个大酒坛，坛顶上有个突出的盖子，可以打开，坛下部雕刻着山龟鸟兽的花纹。坛内部有一个中枢机械“都柱”——一根上粗下细的柱子。柱子紧挨着8道机关，和8道机关相连接的是仪器外围镶着的8条头朝下的龙，8条龙的龙头分别对准东、东北、北、西北、西、西南、南、东南8个方向。每个龙头的嘴里都衔着一个铜球。对准龙嘴蹲着8个铜蛤蟆，昂着头，张着嘴，像期待着什么。
如果什么地方发生了地震，仪器中间的立柱就倒向震区所在的方向，随即触动那个方向的机关，连接在那个机关上的龙头就张开嘴巴，吐出铜球，铜球即掉进蛤蟆的嘴里，并发出“哐啷”的响声，给管理人员报信，告知震源的方向。
张衡研制的这台地动仪，相当灵敏、准确。公元138年的一天，地动仪正西方向的龙嘴突然张开，铜球准确无误地落到了蛤蟆嘴里，管理人员随即报告“西方发生地震”。但当时住在洛阳的人丝毫没有感觉到，人们开始表示怀疑。但是没过几天，便有人从陇西赶来报告，说那里发生地震。经核对，时间正是龙头吐球之时，人们这才信服了地动仪，赞叹它的灵敏，千里之外发生地震，居然能感之如此准确!说明这台地动仪的精密程度已达到相当高的水平。
张衡发明的地动仪，是世界上最早的测定地震方法的仪器,比欧洲利用水银溢流记录地震的仪器早1700多年。张衡发明的地动仪，也是人类历史上用科学方法观测地震的开始，它揭开了地震科学的新纪元。