東漢時期，我國各地頻繁發生地震，僅和帝永元元年到順帝永和五年，這五十年的時間裡，京師洛陽和隴西地區見於記載的地震就有三十三次之多。其中安帝元初六年發生的兩次大地震，房屋倒塌，人畜死亡，波及數十個郡縣，造成了巨大的災害。安帝建光元年九月，又發生了大地震，波及三十五個郡，有的地方大地裂縫，不少地方房屋和城牆倒塌，死傷的人不計其數。古代的人大都迷信鬼神，一發生地震，人們就以為這是鬼神在顯靈，因此非常害怕。什麼地方發生了地震，地方官要趕快向朝廷彙報，由太史令把它記載下來，遲誤了就要判罪。

張衡認為，地震是一種自然災害，人們不但要記錄地震的情況，更重要的是應該研究地震的規律。他為了充分地掌握地震的情報，在漢順帝陽嘉元年，發明了一架地動儀。地動儀用精銅製成，直徑八尺，就像一個大酒罈子。頂上有個凸起的蓋子，可以打開，周圍雕刻著山龜鳥獸的花紋。中心有一根上粗下細的柱子，柱子緊挨著八道機關。和八道機關相連接的是趴在外面的八條龍，八個龍頭分別對準東，南，西，北及東南，西南，西北，東北八個方向。每條龍的嘴裡都銜著一個小小的銅球，八個龍頭的底下，蹲著八隻銅製的昂首張嘴的蛤蟆。「都柱」周圍伸出八根橫杆（曲槓桿），分別和八個龍頭的上半部銜接。哪個地方發生地震，地震波傳來，「都柱」就會倒向地震發生的那個方向，壓在曲槓桿的下端，由曲槓桿再牽動龍頭，將龍嘴裡的銅球掉到蛤蟆的嘴裡，並發出清脆的響聲。守候在地動儀旁邊的人聽到響聲，看看銅球是從哪個蛤蟆的嘴裡掉出來的，就可以準確地記錄下地震發生的時間和方向。因此，能及時派人依照地動儀指示的方向，去尋找災區，做好救災工作。

地動儀製造成功之後，放在京城洛陽一間觀測地震的屋子裡。有一天，西北方的龍頭突然張嘴吐出銅球，「噹啷」一聲，銅球掉到了蛤蟆嘴裡，說明西北方向發生了地震。可是，當時住在洛陽的人並沒有感到發生了地震，所以，人們就懷疑起來，都說張衡的發明靠不住。過了幾天，隴西地方派人趕到京城洛陽來報告，說幾天前他們那裡發生了地震，一查對日期，正好就是地動儀上龍頭吐出銅球的那一天。人們這才相信張衡發明的地動儀是準確可靠的。