张衡在《灵宪》中指出月亮本身并不发光，月光是反射的太阳光。他说：“夫日譬犹水，火则外光，水则含景。故月光生于日之所照，魄生于日之所蔽；当日则光盈，就日则光尽也。”（景就是影，魄指月亮亏缺的部分。）他生动形象地把太阳和月亮比做火和水，火能发光，水能反光，指出月光的产生是由于日光照射的缘故，有时看不到月光，是因为太阳光被遮住了。他这种见解在当时是十分新鲜的，也是正确的。同时，张衡还进一步解释了月食发生的原因。他说：“当日之冲，光常不合者，蔽于地也，是谓暗虚。在星则星微，遇月则食。”这段话的意思是：“望月”时，应该能看到满月，但是有时看不到，这是因为日光被地球遮住的缘故。他将地影的暗处叫做“暗虚”，月亮经过“暗虚”时就发生月食，精辟地阐述了月食的原理。至于“在星则星微”一句，说的是星星碰上“暗虚”就隐而不见了。现在看来这种说法是不正确的。由于星星距地球极为遥远，又大都是发光的恒星，不象月球一样属于行星，因此没有任何一个星星会进入地球的影子之中而失去了光芒。这是张衡的不足之处。这也可以看出在当时的水平下，古人的研究不可能作到尽善尽美。今人也一样，做任何事情的时候都不可能将事情作的绝对正确，但一定要最大程度的正确反映客观现实。

　　此外，张衡在《灵宪》中还算出了日、月的角直径，记录了在中原洛阳观察到的恒星二千五百颗，和近代天文学家观察的结果是相接近的。在他的另一部天文著作《浑天仪图注》里还测定出地球绕太阳一年所需的时间是“周天三百六十五度又四分度之一”，和近代天文学家所测量的时间三百六十五天五小时四十八分四十六秒的数字十分接近，说明张衡对天文学的研究已经达到了比较高的水平。

    和迷信作战
　　东汉封建统治者为了加强他们的统治地位，把谶纬神学作为正统思想，强迫人们信奉。“谶纬”是以封建迷信来解释经书典籍，穿凿附会、用来预卜吉凶的一种学说。它的基本思想是宣扬“王权神授”、“天人感应”等唯心思想，因此很受统治者推崇，被尊为朝章国典。这些腐朽的唯心主义思想理所当然地受到了当时一些进步的思想家如扬雄、桓谭、王充等人的坚决反对。之后，张衡也积极投入到了反谶纬神学的斗争。安帝延光二年（公元123年），一场关于历法的大辩论掀起了：梁丰等人借口当时实行的四分历不合图谶，提出废除四分历，恢复太初历。四分历源于太初历，是对旧历在根据天体运行的实测资料修改后得来的，自章帝元和二年（公元85年）开始使用，是当时比较精密的历法。张衡和另一天文学家周兴坚决反对恢复古历。他们根据自己多年对天象的观测，对各种历法作了深入的研究、比较，认为四分历比较精密。在辩论中，他们所就观测到的现象以及这些现象产生的原因进行了深入的讲解，驳得梁丰等人张口结舌，“或不对，或言失误”，终于使四分历得以继续沿用。这是我国历法史上唯物主义对唯心主义斗争的一个胜利。