在此期间，张衡已经在天文、阴阳、历算等领域取得了极高的成就，尤其对《玄经》的研究更是如痴如醉。当时，大将军邓骘十分赞赏张衡的才华，多次向他发出征召，但张衡却始终不为所动。终于，在永初四年（公元110年），张衡完成了他的杰作——《南都赋》。这部作品以其华丽的辞藻和深邃的思想，展现出张衡卓越的文学才华和深厚的文化底蕴。
元初二年（公元115年），张衡被任命为太史令，负责掌管天文、星历、术算以及典籍等诸多事务。自此之后，他迈入了自己科学创造力最为蓬勃、科学成果最为斐然的辉煌时期。
仅仅两年后，即元初四年，张衡成功发明出一种由水力驱动的浑天仪。在此期间，他还相继撰写了《地形图》《浑仪图注》《漏水转浑天仪注》《灵宪》《灵宪图》《算罔论》等一系列着作，而其中的《灵宪》更是成为了我国首部天文学理论巨着。
时光荏苒，在建光元年（公元121年），太后邓绥驾崩，汉安帝开始亲自执政。张衡随即转任公车司马令，肩负起宫廷中司马门的警备与接待之责。在这段时间里，他又完成了《与特进书》《同周兴议历》《东巡诰》《日蚀上表》等重要作品的创作。
张衡从不贪图功名利禄，即使多年来一直未能得到升职加薪，但依然坚持自己的原则。终于，在顺帝永建元年（公元126年），张衡重新担任了太史令一职。
然而，张衡的才华远不止于此。在阳嘉元年（公元132年），他凭借着惊人的创造力发明了世界上第一台能够测量地震方向的仪器——地动仪！这一伟大发明让世人对他的智慧和才能赞叹不已。
不仅如此，张衡还曾经研制出用于观测气象的仪器——候风仪，以及能够自动转向的三轮指南车和自动起飞的木雕。这些发明无疑展示了他在科学技术领域的卓越成就。
面对当时盛行的“谶纬之学”，张衡毫不畏惧，毅然上疏《论贡举疏》，深刻揭露了谶纬的荒谬之处。在此期间，他还创作了众多杰出的作品，如《顺帝封事》《鸿赋并序》《舞赋并序》《羽猎赋》《陈事疏》等，充分展现了他在文学方面的深厚造诣。
阳嘉二年（公元133年），张衡升任了侍中一职。有一天，汉顺帝在内廷召见张衡，并向他询问被天下人所痛恨的人究竟是谁。这时候，那些宦官们心里非常紧张，生怕张衡会说出他们的坏话来。于是，他们一个个都恶狠狠地盯着张衡，企图用这种方式让张衡闭嘴。
面对这样的情景，张衡感到十分无奈。他知道，如果自己说实话，肯定会遭到这些宦官的报复；但如果不说实话，又会违背自己的良心。最终，张衡不得不说了一些假话来应对皇帝的问题，然后匆匆忙忙地离开了内廷。
回到家中的张衡，心情久久不能平静。他开始思考起自己的处境来。他觉得，人生的吉凶祸福往往是难以预料的，而且其中的道理也是非常深奥微妙的，一般人很难弄明白。为了能够保住自己和家人的性命安全，张衡决定要想办法寻找一种解脱之道。
经过深思熟虑之后，张衡写下了一篇名为《思玄赋》的文章。在这篇文章中，他充分发挥了自己的想象力和才华，通过描写神仙世界的美好和神秘，以及人类社会的种种弊病和缺陷，表达出了自己对于人生和命运的深刻思考，同时也寄托了自己对于理想生活的向往之情。
张衡经常陪伴在顺帝左右，但他从未投靠过宦官集团。然而，宦官集团却一直将他视为心腹大患，并不断地向顺帝进献谗言。终于，在永和二年（公元137年），张衡被排挤离开京城，出任河间相。
河间王刘政生活奢靡放纵，毫不遵守法律纪律；此外，还有许多豪强之徒聚集在一起作乱。张衡到任后，立刻严明法纪，严厉打击豪强势力，同时通过暗中探查掌握了奸党的姓名，然后迅速将他们一网打尽。一时间，整个地区变得严肃而井然有序，他因执政清廉而声名远扬。
然而，此时的张衡已经深感朝廷的腐败，意识到自己的志向难以实现。于是，他写下了《怨篇》和《四愁诗》来抒发内心的情感。此外，他还创作了《髑髅赋》和《冢赋》等作品。
永和三年（公元138年），张衡创作了《归田赋》，并上书请求辞官还乡。皇帝批准了他的请求，让他返回京城，并征召他担任尚书一职。第二年，张衡在忧郁和凄凉的晚年心境中，病逝于尚书任上，享年六十二岁。