《张衡传》以张衡“善属文”“善机巧”“善理政”为纲组织全文，显示了张衡作为文学家、科学家、政治家的才干与成就。范晔继承了司马迁、班固等人关于史传文写作的传统，并因人取事，因事敷文，形成了自己记写人物传记的特色。张衡一生行事众多，成就卓著，品格高尚，如何取其精又不失于偏，虑及全又不流于繁，写其形又得其神，确要费一番匠心。
叙学习，显示其成就的基础。张衡的朋友崔瑗曾称赞他说：“道德漫流，文章云浮。数术穷天地，制作侔造化。瑰辞丽说，奇技伟艺，磊落炳焕，与神合契。”张衡多才多艺，德高品洁，是和他的学习、实践分不开的。范晔写他的学习，说他“少善属文”，自幼聪颖明慧，而更突出了他的“游于三辅，因入京师，观太学”。张衡系南阳西鄂（今河南南阳）人，而游学到“三辅”之地，并进入京城洛阳太学参观、学习。当时学界盛行的是“章句之学”，完全是一套陈腐的死学问，张衡涉足社会，不惜远游，目标远大，直入太学，这就使他达到“通五经，贯六艺”的地步。把五经、六艺都融会贯通了，他不是食而不化，也非固步自封，不仅读书本而且看实际，不只钻典籍而且研技艺，不单捧册页而且知世情。张衡贯古通今，知书识世，明道谙理，可是“虽才高于世，而无骄尚之情”，谦虚谨慎，既是取得重大成就的条件，也是为人处世的美德。作者仅用了三十四个字，就概及张衡学习的各个方面：内容、方法、精神、成就。这真可谓用墨精当得能收海于勺，缩龙成寸。作者先叙张衡的学习，为下文叙述他的善为人、善作文、善机巧、善理政奠定了基础。
叙品行，显示其高尚的节操。张衡对为官作宦，“从容淡静”；对贪官酷吏，嫉恶如仇；对科学技术，不遗余力。有的人把学问作为沽名之具，钓利之饵，登官之梯，而张衡参透人生，洁身自守，他辞谢了多次的举荐与征召。作者连用“连辟”“累召”“不行”“不就”“不应”等词语，强调了他的不慕利禄，无意仕途。后来的出仕，也只是“拜郎中，再迁为太史令”一些从事科技、史学方面的业务性职务。“衡不慕当世，所居之官辄积年不徙”，他不想握权柄以抬高地位，居高位以谋私利。
张衡没有官欲，但并非没有官才。他有着敏锐的政治眼光，清醒的政治头脑，高明的政治手腕。他看到“天下承平日久，自王侯以下莫不逾侈”，不惜花了十年工夫，模拟班固的《两都赋》，而写了《二京赋》。在《西京赋》和《东京赋》中，极力铺写了二京的所有宫室、动植物、游侠辩论之士、角牴大傩之戏，讽谏当朝的穷奢极侈。这是婉转的讽喻。有时他也挺身而出“上疏陈事”，“讽议左右”，向皇上直言进谏，弹劾奸佞。一旦由他掌握了一定权力，也就大力剪锄奸徒丑类。他出为河间王刘政的相时，看到刘政骄奢，“不遵典宪，又多豪右，共为不轨”，他一到任就能“治威严，整法度，阴知奸党名姓，一时收禽”，收到“上下肃然，称为政理”的效果，可见张衡不仅具有如何做官的认识、理论，而且有着实际施行的本领。
张衡上究天文，下穷地理，精于历算，擅于机械，自然也洞察当时社会世情。官场之中，有日天地黑，无风海生浪，所以他先是不做官，想洁身避祸，后来不得不入官场，顺帝“尝问衡天下所疾恶者。宦官惧其毁己，皆共目之”。“衡乃诡对而出”，避其锋芒，巧为应对。即令这样，那帮阉竖还“共谗之”，使他更明白在那种政治漩涡中，如履春冰，如捋虎尾，确实是“吉凶倚伏，幽微难明”，而要“常思图身之事”。当他狠狠打击了河间王的恶势力后，也就急流勇退，做出了极明智的决策：“上书乞骸骨”，请求退休还乡了。从他的《四愁诗》《思玄赋》《归田赋》中，都看出作为一个正直的官吏、有为的学者，在当时内心的苦闷，无力除恶，无法避祸，只有独善其身了。
叙术业，显示其卓著的成就。张衡在天文、数学、地理、气象、机械制造方面，都有卓越的成就，在文学、诗赋、绘画方面成绩斐然。郭沫若曾评价说：“如此全面发展之人物，在世界史上亦所罕见”，“万祀千令，令人敬仰”。范晔为之作传时，既要顾及全面，又要突出重点。文中以“研核阴阳，妙尽璇机之正，作浑天仪，著《灵宪》《算罔论》，言甚详明”概及了他多方面的贡献，而重点写候风地动仪。候风地动仪是张衡首创，在科技史上居重要地位。传记从地动仪的质地、尺寸、规模、形体、文饰以至整个结构的“巧制”、测定时的效验，做了井然有序的详明介绍。“验之以事，合契若神”着一“神”字，极写仪器功效。“自书典所记，未之有也”，表明此乃史无前例的独创。更用京师学者最初“咸怪其无征”，后来“果地震陇西。于是皆服其妙”的典型细节，充分证明了张衡“妙尽璇机之正”的“妙”，“善机巧”的“善”。
这篇传记仅以七百余字就概及张衡六十二年中善属文、善机巧、善理政等方面的杰出成就。全文以时间为序，叙其一生；以“善”为纲，统率题材；以“妙”为目，传其精神，因而所写方面多而不杂，事迹富而不乱，文虽简而概括全。范晔之所以能“驱万途于同归，贞百虑于一致，使众理虽繁，而无倒置之乖，群言虽多，而无棼丝之乱”（《文心雕龙·附会》），就在于抓住了总纲领，并内蕴着相互关系。张衡正由于潜心于学才达到“通五经，贯六艺”的境界，才使他具有了“善机巧”的知识与才干，也使他具有了“不慕当世”的胸襟。不去追名逐利，求官谋宦，才能居郎中的微职“积年不徙”，得“约己博学，无坚不钻”，有了创造发明。他的做官，不是为了荣华富贵，而是以利于科学研究。当不得不被推上政治舞台时，还始终保持着明智的头脑。作者将张衡于自然科学、文学、政治活动方面的表现统一了起来，写出了一个真实的人、伟大的人。
本文除揭示了张衡多方面事迹的内在的联系外，善于剪裁也是使本文成功的重要因素。如写“善属文”，就以写《二京赋》为主，略涉《思玄赋》，其他甚至不提及；写“善机巧”，以详写候风地动仪为主，其他科技成果则为辅；写“善理政”，以整治法度、收擒奸党为主，请求辞职、上调擢升则为次。在文学、科学、政事三方面，都体现了他“从容淡静”的个性，又突出了“善机巧”的特点，使张衡这么个伟大的形象辉耀于读者面前。