После получения образования Чжан Шэн стал чиновником, но вскоре прервал карьеру, вышел в отставку и посвятил свое время науке. Он занимался математикой, астрономией и географией, попутно изобретая приспособления для своих исследований. В частности, он вычислил значение числа я = 3,1622 с точностью до четырех цифр. 

Таких результатов измерений тогда не достигал никто в Китае.
Другим направлением исследований Чжан Шэна была астрономия. Он разработал методику систематических наблюдений и составил первый в Китае звездный атлас, основанный на угловых координатах. Построенный им прибор позволял измерять угловые расстояния и определять положение звезд. Около 125 года н. э. он построил армиллярную сферу с гидроприводом, которая позволяла точно представить движение звезд на небосводе. Разработанный им принцип определения координат позволил создать координатную сетку для использования в картографии.
В восточном мире Чжан Шэн известен изобретением прибора для индикации землетрясений. Прибор представлял собой сосуд с установленным в центре стержнем, при колебаниях земли он отклонялся от центрального положения и освобождал один из восьми шариков, указывающий на направление толчка.
Правда, в ханьский период подобные инструменты так и не получили широкого распространения, оставаясь известными лишь узкому кругу избранных. 

Они изготавливались придворными мастерами как затейливые игрушки, практическая ценность которых была оценена гораздо позже.

 Независимо от того, применялись или нет в повседневной жизни приборы Чжан Шэна, они свидетельствуют о том высоком уровне развития науки и техники, который удалось достичь ко II веку н. э. и проложить дорогу для создания сложных приспособлений, которые появились значительно позже.