在我国古代，对天地、宇宙的结构曾长期争论不止，“善言天者”数以百计，各种观点五花八门。到了汉代，这些观点逐渐融合归类，最终形成了三种学说：宣夜说、盖天说和浑天说。
宣夜说的历史，可以上溯至战国时代的庄周。《庄子·逍遥游》云：“天之苍苍其正色邪？其远而无所至极邪？”庄子用提问的方式表达了自己对宇宙的猜测。同是战国时代，道家中的宋钘和尹文一派就提出了元气学说，把宇宙万物的本原归结为“气”。这“气”，可以上为日月星辰，下为山川草木。同时，名家思想的鼻祖惠施提出了“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一”《庄子》的无限大和无限小的思想，这些都为宣夜说的宇宙无限观念奠定了思想基础。“宣夜”称谓的由来，晋代天文学家、宣夜说的继承者虞喜在《安天论》中认为：“宣，明也；夜，幽也。幽明之数，其术兼之，故曰宣夜。”《晋书》引清代物理学家邹伯奇则认为：“宣劳午夜，斯为谈天家之宣夜乎。”《晋书·天文志》载：宣夜之书亡，惟汉秘书郎郄萌记先师相传云，天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。譬之旁望，远道之黄山皆青色，俯察千仞之深谷而幽黑。夫青非真色，而黑非有体也。日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止皆须气焉。是以七曜或逝或住，或顺或逆，伏见无常，进退不同，由乎无所根系，故各异也。故辰极常居其所，而北斗不与众星同没也；摄提、填星皆东行。日行一度，月行十三度。迟疾任情，其无所系著可知矣，若缀附天体，不得尔也。这是关于宣夜说的一段最完整的史料，它包含了宣夜说的许多观点。
首先，宣夜说的起源很早，汉代的郄萌只是记录下了先师们留传下来的思想。第二，天是没有形体的无限空间，因无限高远才显现出苍色。第三，远方的黄色山脉看上去呈青色，千仞之深谷看上去呈黑色，而实际上山并非青色，深谷并非有实体，以此进一步证明苍天既无形体，也非苍色。第四，“天”并没有天穹或固定的天壳，而只不过是无边无际的气体，日月星辰自然浮生于虚空之中，依赖气的作用而运动或静止。第五，各个天体运动状态不同，速度各异，是因为它们不是附缀在有形质的天上，而是飘浮在空中，按照各自的路线运行。可以看出，宣夜说的这些观点在当时来说是相当先进的，是我国古代一种朴素的无限宇宙观念。
英国著名学者李约瑟评价道：“这种宇宙观的开明进步，同希腊的任何学说相比，都毫不逊色。”宣夜说认为天空是没有形质的，天体各有自己的运动规律，宇宙是无限的空间。这些观点与现代天文学的认识是相符的。或许，正是因为它的先进思想离当时人们的认识水平太远，不可能为大多数人所接受，加之，作为一个宇宙结构体系，宣夜说没有提出自己独立的对于天体坐标及其运动的度量方法，这也许就是宣夜说在汉代之后的一千多年里得不到广泛重视和发展而几近灭绝的重要原因吧。盖天说大约起源于殷末周初，它在发展过程中也有几种不同的阶段。早期的盖天说认为“天员（通圆）如张盖，地方如棋局”《晋书·天文志》引《周髀算经》，把天看作穹隆状的圆形，如张开的车盖，把地看作正方形的平面，就如棋盘一样，穹隆状的天覆盖在正方形的平直大地上。但这种说法逐渐受到了人们的怀疑，正方形大地的四角与圆盖形的天的边缘怎能吻合呢？于是盖天说进一步发展，认为天并不与地相接，而是像一把大伞一样高高悬在大地之上，只是没有伞把。地的四周有八根柱子支撑着，天和地的形状犹如一座顶部为圆穹形的凉亭。
到西汉时期，盖天说已经形成了一个完整的、定量化的体系。大约成书于公元前1世纪的《周髀算经》就是盖天说的代表。据《晋书·天文志》载：其（《周髀算经》）言天似盖笠，地法覆盘，天地各中高外下。北极之下为天地之中,其地最高,而滂沲四□,三光隐映,以为昼夜。天中高于外衡冬至日之所在六万里。北极下地高于外衡下地亦六万里，外衡高于北极下地二万里。天地隆高相从,日去地恒八万里。
《周髀算经》认为，天像没有柄的伞，地像倒扣的盘子，天地各自都是中心高，四围低。北极下面为天地的中心，此地最高，而四围低下。日月星三光在地的周围上下、左右不停地隐没与显现，形成昼与夜。天的正中心，高于外衡冬至日之所在六万里，北极下地高于外衡下地亦六万里，外衡高于北极下地二万里。天与地各自隆起高出相一致，日离地八万里。盖天说作为一种宇宙结构思想体系，是古人在长期对天象观测实践中逐渐形成的，它大体上能够解释四季常见的天象和气候变化等自然现象，因此在西汉以前，盖天说在古天文学领域占据着统治地位。浑天说是在西汉中期兴起的一种天地结构学说。《隋书·天文志》云：“前儒旧说，天地之体，状如鸟卵，天包地外，犹壳之裹黄，周旋无端，其形浑浑然，故曰浑天。”
浑天思想的渊源可以追溯至战国时代的慎到。他曾说：“天体如弹丸，其势斜倚。”这是古代文献中最早的关于浑天思想的明确记载，这说明，早在战国时代，我国已经有了初步的天球概念。在石氏星表和马王堆出土的五星资料中，也可以发现，战国时期，已经出现了类似于浑天仪的测量天体位置的仪器，这些都是原始浑天思想的体现。而浑天说作为一种天地结构学说被明确提出并产生重要影响，当始于西汉落下闳。西汉末年的扬雄在《法言·重黎》中说：“或问浑天，曰：落下闳营之，鲜于妄人度之，耿中丞象之。几乎，几乎！莫之能违也。”《隋书·天文志》曰：“古旧浑象……莫知何代所造，今案虞喜云：‘落下闳为汉武帝于地中转浑天，定时节，作太初历’，或其所制也。”可见，汉武帝时期，落下闳已经提出浑天说，并制成浑天仪付诸实验，而且在理论和实践相结合的基础上，制定了当时比较先进的《太初历》。浑天说出现以后，因观点与盖天说相佐，而遭到了盖天说学派的诘难和围攻。他们的分歧点主要在于解释天象作周日旋转的方式，也就是日月星辰的周日旋转是否出入地下。浑天家认为天的回转轴为倾斜，日月星辰自东向西旋转复始运动并出入地下。盖天说则不相信天的回转轴为倾斜，认为日月星辰不可能落入地下。为此，两个体系、两种学说经历了长期而尖锐的斗争。例如，西汉末年的扬雄，开始是主张盖天说的，他曾绘图说明古代盖天之法。而浑天说的代表人物桓谭用了一个生动的例子把他说服了。《新论》载：后与子云（扬雄，字子云）奏事，坐白虎殿廊庑下，以寒故背日曝背，有顷曝光去背，不复曝焉。因以示子云曰：“天既盖转，而日西行，其光影当照此廊下而稍东耳，无乃是反应浑天实法也。”
扬雄被桓谭说服以后，反过来拥护浑天说，并提出八个问题来批评盖天说的荒谬，即所谓的“难盖天八事”。这充分证明，在天象观测方面，浑天说比盖天说科学，更接近人们所能观测到的天象规律。张衡是汉代最有影响的浑天说的集大成者，被历世公认为浑天说的标志性人物。他在研究对比前人理论的基础上，通过多年的实际观测，否定了宣夜说和盖天说，并将浑天说进一步发展、完善，建立了一套较为详细的浑天说理论体系，并留下了浑天说的纲领性文献《浑天仪图注》。张衡在《浑天仪图注》里说到：浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。周天三百六十五度又四分度之一，又中分之，则半一百八十二度八分度之五覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐。其两端谓之南北极。北极乃天之中也，在正北，出地上三十六度。然则北极上规径七十二度，常见不隐。南极天地之中也，在正南，入地三十六度。南规七十二度常伏不见。两极相去一百八十二度强半。天转如车毂之运也，周旋无端，其形浑浑，故曰浑天。
张衡在长期观测自然现象天体方位的基础上提出了大地是球形的观点。他认为，天地的结构，就如一枚鸡蛋，天像蛋壳，而地像蛋黄，天圆而大，包裹着地，并围绕着地像车轮一样周而复始地运转。这打破了“天圆地方”的错误认识。他指出“天地各乘气而立，载水而浮”，摒弃了过去“天柱地维”的虚幻神话。浑天说示意图以浑天说为基础，张衡把周天按太阳回归年的日数值进行了准确划分：周天共三百六十五度又四分之一度，从中间分开，则一百八十二又八分之五度在地上，另外一百八十二又八分之五度在地下，所以二十八宿只能看到一半。天围绕地旋转轴的两端分别叫北极和南极。北极是天的中心，在正北方向，高于地三十六度。北极上规的直径是七十二度，这部分区域常见于地上而不隐于地下。这里所谓的北极上规，是以北极为中心，以北极距地的度数为半径所画的圆周。南极也是天的中心，在正南方向。南极入地下也是三十六度，南极下规的直径是七十二度，这一部分隐于地下，永远看不到。南北两极的距离是一百八十二度半多一点。这种“浑天如鸡子”的认识，无疑是中国古代天地观念发展史上的一个新的飞跃，是人类对宇宙认识的一个重大成就，在人类认识自然界的历史上具有极其重要的意义。在《浑天仪图注》中，张衡介绍了求取黄道度数的办法：取北极及冲，各针穿之为轴，取薄竹篾，穿其两端，令两穿中间与浑半等，以贯之，令察之与浑相切摩也。乃从针半起，以为百八十二度八分之五，尽冲针之半焉。又中分其针篾，拗去其半，令其半之际正直，与两端针半相直，令篾半之际从冬至起，一度一移之，视篾之半际少多，赤道几何也。其所多少，则进退之数也。从北极数之，则去极之度也。
张衡详细地阐述了黄道、赤道与二十四节气的关系:各分赤道黄道为二十四气，一气相去十五度十六分之七，每一气者黄道进退一度焉。所以然者，黄道直时，去南北极近，其处地小，而横行与赤道且等，故以篾度之，于赤道多也。设一气令十六日者，皆当率四日差少半也。令一气十五日不能半耳，故使中道三日之中差少半。三气一节，故四十六日而差令三度也。至于差三之时，而五日同率者一。其实一节之间，不能四十六日也。令残日居其策，故五日同率也。其率虽同，先之皆强，后之皆弱，不可胜计耳。至于三而复有进退者，黄道稍斜，于横行得度故也。春分、秋分所以退者，黄道始起更斜矣，于横行不得度故也。亦每一气一度焉，故三气一节，亦差三度也。至三气之后，稍远而直，故横行得度而稍进也。立春、立秋，横行稍退矣，而度犹云进者，以其所退，减其所进，犹有盈余，未尽故也。立夏、立冬，横行稍进，而度犹云之退者，以其所进，增其所退，犹有不足，未毕故也。
张衡认为，夏至时，黄道在赤道北，距赤道的距离为二十四度，距北极的距离是六十七度多一点，“是故日最长，夜最短，景（同影）极短”。冬至时，黄道在赤道南，距赤道的距离 为二十四度，距北极的距离是一百一十五度多一点，“是故日最短，夜最长，景极长”。在冬至到立春和夏至到立秋之间，黄道直行，其与赤道的相对位置近于平行，赤道度大于黄道度。在立春至春分和立秋至秋分之间，黄道稍斜，黄道与赤道相交，赤道度为退，但赤道度仍大于黄道度。在春分至立夏和秋分至立冬时，黄道更为倾斜，赤道度进一步退，赤道度小于黄道度。在立夏至夏至和立冬至冬至时，黄道稍直，赤道度数为进，但赤道度数仍小于黄道度。张衡关于黄赤道进退的计算方法是一种简便易行的近似方法，虽然它的准确性与现代天文学还有一定差距，但其所描述的情况已经为现代天文学所证明。张衡还阐述了二十八宿与黄道、赤道的关系：本二十八宿相去度数，以赤道为距耳，故黄道亦有进退也。冬至在斗二十一度少半，最远时也。而此历斗二十度二十一，俱一百一十五度，强矣，冬至宜与之同率焉。夏至在井二十一度半强，最近时也。而引历井二十三度一十四，俱六十七度，强矣，且与之同率焉。张衡还对黄道、赤道的概念及七曜的运行轨道进行了表述：赤道横带天之腹，去南北二极各九十一度十九分度之五。横带者，东西周天之中腰也。然则北极小规去赤道五十五度半，南极小规亦去赤道出地入地之数，是故各九十一度半强也。黄道斜带其腹，出赤道表里各二十四度，日之所行也。日与五行黄道无劝。月行九道，春行东方青道二，夏行南方赤道二，秋行西方白道二，冬行北方黑道二，四季还行黄道，故月行有亏盈，东西随八节也。
从这些论述可以看出，张衡的浑天说在思想理论上已较为完整和成熟，它是在长期精确的天文观测基础上提出并逐步完善的，因此，能很好地解释当时所知的几乎所有天文现象，符合人们的习惯思维。在构建浑天说理论体系的同时，张衡还专门制造了浑天仪，用以演示、解释浑天理论，并和实际天象相验证，进一步证明了浑天说的正确性。张衡的浑天思想是基于他的科学实证思想，是浑天理论的根基和核心，也是我国古代长期占据统治地位的天地结构理论，对后世浑天说进一步的发展产生了巨大影响，具有十分重要的意义。首先，张衡的浑天思想为浑天说在中国古代天文学史中的隆盛地位奠定了理论基础。张衡两次担任太史令之职，共十四年之久，长期潜心于天文学观测研究，使其成为汉代浑天说的集大成者。翻阅历代史书中有关天文学的记载，在张衡之前，浑天说都较为模糊。西汉天文学家落下闳制造浑仪演示天象，用以对历法制定的参考，浑天说初步形成。东汉初期的贾逵提出了用黄道坐标测算日月运行轨道的方法，并制造出黄道铜仪，浑天说得到了发展。但是，他们均未提出明确的完整系统的理论，直到张衡“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” 浑天说得以正式确定。正是张衡奠定的较为完整的浑天理论思想，并经之后的浑天家陆绩、王蕃等的继承与发扬，为晋、唐时期浑天学说的发展和兴隆提供了基础。其次，张衡的浑天理论较早且比较明确地提出“天球”思想，从而改变了此前较为落后的天体“半球”观念。
在我国早期的天文思想中，“天圆地方”说的“天圆”及《周髀》所载盖天之说“天似盖笠，地法覆盘”中的“盖笠”，均认为天体为半圆，其实质是出于观测者视野错觉的半球形象。而张衡的浑天思想明确提出“天体圆如弹丸”，肯定了球形天空。浑天说的观点虽然在很大程度上以天地相连的视觉假象为条件，但与此前半球形、盖笠形相比，无疑是前进一步的。可以说，在银河系发现之前，天圆说的天体观是具有阶段性和先进性的科学意识。
另外，浑天说在汉代及后世天文学界逐渐取得官方的正统地位，与张衡科学求实的精神是分不开的，这是张衡倡导浑天理论的一个重要成就。在天地结构的认识方面，张衡基本上脱离了神学的束缚和哲学的思辩，以科学的态度详尽阐明北极与南极的位置、距离，赤道的定义及其南北极的度数。在论及地形时，张衡又将周天和二十八宿划分为上下两半，提出天周和地广的比值就是圆周率的观点。在天与地的关系方面，张衡通过浑天仪实测，认为北极出地与南极入地都是三十六度，上规与下规的直径均为七十二度，在汉代诸多论天者中最为具体而精确。汉代论天三家，相比较而言，浑天说更切合当时的科学思维水平，科技手段亦较为先进。同时，张衡出于求实的精神，在浑天思想中也大量吸收了《周髀算经》中对天体的计算成果，为完善浑天体系作出了卓越贡献。
张衡这种科学求实以及由此取得的天文学成就，在当时谶纬神学泛滥的思想界具有卓越的意义与价值。当然，由于历史及科学技术水平的局限，张衡以地球为中心所建立起来的浑天思想体系在今天看来无疑是错误甚至是荒谬的。张衡并没有明确提出“地圆说”，同时因受时代的局限，在其天文学论著中不仅传承了一些较为落后的计算方法，甚或掺合了以“取则天象”、“天人感应”的神学观念。由于测量方法与科学技术水平的限制，许多观点又是来源于经验性，但是我们对其的研究讨论，只能放在当时的时代背景之中。
远在1800多年前的东汉，天文学者处在政治与神学的双重承负之下，仍不可避免地要担负着传统文化中政治与神学的双重责任，其所取得的成就，只能来自于政治与神学的双重禁锢和夹缝之中。因此，我们不能过多地苛求挑剔张衡的天文学思想，要看到，他在大量的科学实验和理论研究基础上建立的天地结构理论体系，不但在当时的中国东汉，而且在同时代的世界范围内也是最系统、最完备的，具有明显的进步意义。
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