张衡不慕当世的功名富贵，担任官职，往往多年都不得迁升。自从离开史官的职务五年后，又回到原职。于是设客问体，作《应问》来表明自己的心迹。当时，政事渐衰，宦官干政。张衡于是上疏陈事，劝谏顺帝。
外出国相
公元133年（阳嘉二年），张衡升任侍中，顺帝任用他在自己身边对国家的政事提出意见。顺帝曾询问张衡天下所痛恨的人。宦官们害怕他说自己的坏话，都用眼睛瞪着他，张衡便用一些不易捉摸的话回答后出来了。但宦官还是担心张衡以后会成为他们的祸害，于是群起毁谤张衡。张衡常想着如何立身行事。认为吉凶祸福，幽暗深微，不易明白，于是作《思玄赋》，以表达和寄托自己的情志。
公元136年（永和元年），张衡被外调任河间王刘政的国相。刘政骄奢淫逸，不遵法纪；又有不少豪强之徒，纠集在一起做乱。张衡到任后，严整法纪，打击豪强，暗中探得奸党名姓，一时收捕，上下肃然，他为政以清廉著称。任职三年后，张衡上书请求辞职归家，被征召拜为尚书。
六旬而逝
公元139年（永和四年），张衡逝世，享年六十二岁。
公元1109年（宋徽宗大观三年），张衡因算学方面的成就被北宋追封为西鄂伯。
后世称张衡为“木圣”[2]（科圣）。为了纪念张衡的功绩，联合国天文组织于1970年将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”，又于1977年将小行星1802命名为“张衡星”，2003年，国际小行星中心为纪念张衡及其诞生地河南南阳，将小行星9092命名为“南阳星”。
