关于恒星，《灵宪》还说到它们的命名计数：“众星列布，其以神著，有五列焉，是为三十五名。一居中央，谓之北斗。……四布四方，为二十八宿。……中外之官，常明者百有二十四，可名者三百二十，为星二千五百，而海人之占未存焉。征星之数，盖万一千五百二十。”这里给出的星官命名数和星数都大大超过了《汉书·天文志》的记载。这篇写作时代离张衡不远的志文中也有个数字：“凡天文在图籍昭昭可知者，经星常宿中外官凡百一十八名，积数七百八十三星。”可见，张衡在当太史令的期间是亲自做过恒星的观测、命名、综合（其他前人所定的星官）和计数工作的。张衡所定的星官体系甚至比后来三国时陈卓综合石氏、甘氏和巫咸三家星官而成的星官体系还要庞大。后者只有星官283官，星数1464星。可惜的是《灵宪》中没有记录下张衡星官的详情，其他可能记下详情的张衡著作也未有留存。不过近年有人在南宋郑樵编的《通志·天文略》中找到了一些张衡关于某些星官的描述及其星占文字的残篇。只是郑樵是按《步天歌》星官系统——陈卓系统的重新组合——来写的，所以，只有与上述283官相合的张衡星官才会被引入《通志》。至于这个体系之外的张衡星官那就只有寄希望于未来的考古发现了。此外，张衡所说的征星之数，则并不是实际观测的结果（在整个星空中，人眼所能看到的恒星，总数不过6千多颗，其中还包括了南极附近中国古代所一直看不见的天区中的恒星），而是从《易·系辞》中说的“万物之数”来的。这是天地对应思想的又一个反映。

张衡所作的浑天仪是一种演示浑天说的仪器，故有此名。

《晋书·天文志》中记载了一段葛洪论天的话，其中说到，“张平子既作铜浑天仪，于密室中以漏水转之。令伺之者闭户而唱之。其伺之者以告灵台之观天者曰：‘璇玑所加，某星始见，某星已中，某星今没’，皆如合符也。”既然是在密室中用的，当然不可能是观测天休的仪器，而只能是一种演示仪器。这件仪器的细节在《晋书·天文志》的“仪象”中有更具体的记载：“张衡又制浑象，具内外规、南北极、黄赤道，列二十四气、二十八宿中外星官及日月五纬，以漏水转之于殿上室内，星中出没与天相应。因其关戾，又转瑞轮蓂荚于阶下，随月盈虚，依历开落。”这里又称张衡的浑天仪为浑象。事实上在早期，浑天仪、浑仪和浑象这些名称是混用的，即，凡是表现浑天说的仪器都可以称之为浑天仪或浑仪；而不象隋唐以后，名称逐渐规范，专以观测仪器称仪，而以表演仪器称象。

从《晋书》的上述记载可知，张衡的浑天仪，主体是一个大圆球。与现今的天球仪相仿。球上画了张衡所定的星座和星星，也画了赤道、黄道。黄道上则绘出二十四节气。在大球相当于南、北极的地方，伸出一根转动轴。这根轴架在一个圆环形支架上。圆环循所在地的子午面方向直立着。转动轴北高南低，与地平面所夹的角度正好是所在地的地理纬度。如果在子午圆环正中间设一个水平放置的大圆环，代表所在地的地平面，那么，转动大球，就可以表演星星的东升西落。球上有一部分星星永远在地平线以上不会下落，其极限是一个以北极为圆心、当地纬度为半径的小圆，称之为内规。反之，以南极为圆心、当地纬度为半经的小圆，则为球上永不升到地面以上的部分的极限，这圆就称为外规。这个大球，有一个齿轮系连接着。用漏刻流出的水推动这个齿轮系，就可带动大球自东向西转动，只要齿轮系转动速度调节适当，就可使球上天体的东升西落和中天现象与室外的实际天象一致。