张衡的地动仪，也被称为“候风地动仪”，是世界上第一架能够测试地震方向的仪器。其工作原理基于古代“候气”理论，即利用地震波引起的地面震动来检测地震的方向。具体来说，地动仪内部有一个倒立的、重心较高的长木椎（都柱），这个木椎类似于一个不稳定状态的啤酒瓶。当地震波传来时，仪器底座的运动方向指向震中，而木椎由于惯性作用会向相反方向倒下，从而指示出震中的方向。
地动仪的结构包括一个球形青铜器和一些标尺、浮标等，内部填满了水银，圆周上均匀分布着若干支蛇形管，每支管都有一个龙头向内。在中心竖起一根直杆，其末端托着一系列系在铜球上的半球，每个半球里有一个黄铜链。当地动仪感应到地震时，水银流动导致指南线发生偏转，通过观察偏转的角度和方向可以推测可能发生的地震。
张衡的地动仪设计精巧，能够探测到地震波首先到达的方向，并且灵敏度很高，可以检测到地震烈度为3度左右的地震。这个发明比西方类似仪器早了大约1000多年，对后世地震仪的发展产生了深远的影响。
需要注意的是，张衡的地动仪不能判定震中的距离和大小，它只能提供地震发生的大致方向。此外，地动仪的具体制作方法和工作原理在古代文献《后汉书·张衡传》中有详细记载，但现代知识无法完全解释其工作机制。