东汉初年，出身名门望族的张衡（许还山 饰）凭借《二京赋》名扬京城。他博学多才，却淡泊名利，尽管多次受到朝廷召见，始终对仕途没有太大兴趣。相比之下，常被世人轻视的自然科学与机械技艺更令他着迷。面对频发的天灾和贫困，以及由此造成的百姓流离失所，张衡始终将拯救苍生视为读书人的最大抱负。
一次地震后，张衡亲眼见到灾区的惨状，也对巫师术士借机蒙骗百姓的行径深感愤慨。为了寻找应对灾害的方法，他游历各地，拜访名师，结交贤友，专心研制能够预测地震的地动仪。然而，蒙昧而心怀恶意之人不断加以陷害，加之他身处权力斗争的漩涡之中，张衡只能在重重危机与阻力间艰难周旋，为地动仪的发明和改进殚精竭虑。
