Zhang Heng dilahirkan di Kabupaten Nanyang, Provinsi Henan, Tiongkok Tengah pada tahun 78 Masehi. Sejak masa remaja ia tekun belajar dan pandai mengarang. Pada usia 17 tahun, ia meninggalkan kampung halaman pergi ke Chang'an, yakni Xi'an sekarang ini yang dalam sejarah Tiongkok pernah dijadikan ibu kota oleh banyak dinasti. Di kota Chang'an, Zhang Heng mengunjungi patilasan sejarah dan mempelajari adat istiadat dan berbagai segi kehidupan penduduk. Kemudian Zhang Heng yang berusia muda dan berbakat itu dipilih oleh Kerajaan untuk diangkat menjadi pejabat. Zhang Heng pernah memangku jabatan di ibu kota Luoyang ketika itu.

Sejak masa muda Zhang Heng amat tertarik kepada ilmu alam, khususnya astronomi. Di mata Zhang Heng, kehormatan dan harta bukanlah sesuatu yang penting. Ia pernah dua kali meletakkan jabatan dan menggunakan waktu tiga tahun untuk mempelajari filsafat, matematika, dan astronomi dengan menguasai pengetahuan yang luas. Kemudian ia mulai menulis buku.

Jauh pada masa Dinasti Han 2.000 tahun lebih yang lalu, di Tiongkok sudah terdapat teori yang sangat padat isinya mengenai struktur alam semesta yang diwakili oleh tiga aliran keilmuan, dan Zhang Heng adalah tokoh representatif dari salah satu aliran itu. Menurut pandangannya, langit bagaikan sebuah telur, sedangkan bumi adalah kuningnya. Langit sangat besar dan bumi kecil, masing-masing mempertahankan keberadaannya dengan menumpang pada udara dan mengambang di atas air. Teori ini tergolong sangat maju pada waktu itu. Selain itu, jawaban Zhang Heng mengenai asal muasal dan evolusi langit dan bumi juga mengandung fikiran dialektis. Menurut Zhang Heng, langit dan bumi sebelum terpisah berada dalam keadaan bancuh campur aduk. Kemudian keduanya terpisah, yang ringan melambung menjadi langit dan yang berat menggumpal menjadi bumi. Langit adalah Yang dan bumi adalah Yin. Interaksi antara Yin dan Yang menciptakan segala sesuatu di alam semesta. Zhang Heng menggunakan pola perubahan jarak untuk menjelaskan cepat dan lambatnya peredaran planet. Ilmu pengetahuan modern membuktikan bahwa kecepatan gerakan planet berkaitan dengan jauh dekatnya jarak planet itu dengan matahari. Maka penjelasan Zhang Heng itu mengandung unsur-unsur yang rasional.

Zhang Heng menaruh perhatian tidak saja pada penelitian teoretis, tapi juga praktek. Ia sendiri telah merancang pembuatan globe dan alat pencatat dan pengukur gempa bumi yang pertama di dunia. Pada tahun 138 Masehi, Zhang Heng dengan menggunakan alat itu berhasil merekam gempa yang terjadi di Shaanxi. Globe kurang lebih sama dengan bola bumi sekarang ini. Sebenarnya alat ini adalah penemuan ilmuwan lainnya, tapi Zhang Heng mengadakan perbaikan. Dengan sistem roda gerigi ia mengaitkan globe langit dan jam air. Tetesan air dari jam air itu mendorong globe langit berputar dengan kecepatan konstan, tepat berputar satu kali dalam waktu satu hari. Dengan demikian akan dapat diketahui posisi suatu bintang pada suatu waktu tertentu cukup dengan melihat globe itu.

Zhang Heng melakukan pula pengamatan dan analisa yang kongkret terhadap gejala astronomis. Ia telah menghitung pula jumlah bintang yang bisa dilihat dengan mata telanjang di daerah Tiongkok Tengah, yaitu 2.500 buah. Ia dengan tepat menjelaskan sebab-sebab terjadinya gerhana bulan, menunjukkan bahwa sinar bulan adalah refleksi sinar matahari dan gerhana bulan terjadi karena bulan masuk ke dalam bayang-bayang bumi. Zhang Heng dengan cukup akurat berhasil mengukur garis tengah sudut matahari dan bulan. Menurut Zhang Heng, matahari pada pagi dan petang hari serta siang hari adalah sama besarnya. Kalau matahari yang terlihat pada pagi dan petang hari lebih besar daripada siang hari, itu adalah karena efek optik. Berhubung lingkungan pemantau pada waktu pagi dan petang hari relatif gelap, maka obyek terang yang dilihat dari tempat gelap tampak lebih besar. Sedang pada siang hari, langit dan bumi sama terangnya, maka matahari tampak lebih kecil. Seperti halnya bara api, kelihatannya lebih besar pada malam hari daripada di siang hari. Penjelasan Zhang Heng itu meskipun kurang sempurna, namun mengandung kebenaran tertentu.

Zhang Heng bukan saja seorang astronom, tapi juga seorang sastrawan yang ternama pada masa Dinasti Han Timur. Ia sangat piawai pula melukis dan digolongkan sebagai salah seorang dari enam pelukis paling terkenal pada masa itu. Menurut catatan buku sejarah Tiongkok, Zhang Heng selama hidupnya telah menciptakan 32 karya ilmu pengetahuan, filsafat dan sastra. Beberapa karya ilmiahnya merupakan karya fiksi ilmiah masa awal di Tiongkok. Sedang dua karya prosanya "Dongjingfu" dan "Xijingfu" yang merupakan karya representatifnya beredar sampai sekarang. Dalam kedua karya itu, Zhang Heng dengan saksama melukiskan pemandangan di Hongjing atau kota Xi'an sekarang ini dan Xinjing atau kota Luoyang sekarang ini. Dengan sangat menarik ia menuturkan adat dan kebiasaan penduduk setempat, cara penuturannya romantik dan hiperbol. Di antaranya bait-bait yang mencatat pertunjukan seni kerakyatan merupakan bahan-bahan sejarah kesenian akrobatik Tiongkok zaman kuno yang sangat berharga.