天空中最亮的天体是日和月。月有圆缺，而日则始终是圆的。古人在长期观察月亮的运动变化中已经认识到，太阳是自己发光的，而月亮本身则不发光，只是靠反射太阳光才发亮。公元前一世纪成书的《周髀算经》中说：“日兆月，月光乃生，故成明月。”西汉晚期的京房也说，“先师以为日似弹丸，月似镜体；或以为月亦似弹丸。日照处则明，不照处则暗。”对于这个问题，张衡也提出了进一步的看法，“日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则含景。故月，光生于日之所照，魄生于日之所蔽，当日则光盈，就日则光尽也。”在这里，明确指出了朔望现象取决于月亮和太阳之间的相对位置。

所谓“当日”是指月亮行到了太阳的正对面（相对于地来说）。那么，这样说来，月在望时应该总是很明亮浑圆的了，为什么有时又有月食的现象发生呢？对此，《灵宪》解释说，“当日之冲，光常不合者，蔽于地也。是谓?虚。……月过则食。”所谓“月过则食”的?虚，用今天的概念来说，那是太阳照射地球时在地球背后投射出的影子。但是，张衡的地是个相当于半个天球那么大的东西，因此，这个?虚与现今的地影概念很不相同。可是究竟张衡是怎么想象的，我们现在还难解释。唯一肯定的是，张衡知道月食的原因是地遮蔽了日光。不过仅仅这一点也已经是一个重要的发现了。

除了日月外，还有五颗肉眼可见的行星在星空背景上运动，运动方向大多时候与日、月一样，是由西向东。因此，这样的运动称为顺行，古代又称右旋。五大行星和我们所在的地球实际上是在各自的轨道平面上绕着太阳作椭圆轨道运动。这些运动都不是匀速的。它们的平均速度也各不相同，离太阳越远的天体，其平均速度越小。由于行星和地球有上述这些运动，因此，在地球上的观测者就会看到，行星有时会出现由东向西的运动，这种运动称为逆行。在顺行和逆行变更之际，行星就好象停留在天空中不动一样，这种状态称之为留。这些天文现象，以及行星运动速度变化的规律，都是在16世纪波兰天文学家哥白尼提出了太阳中心说，又经17世纪德国天文学家开普勒发现了行星运动三定律以后，才得到科学解释的。比哥白尼早了14个世纪的张衡完全不可能达到他们那样的程度。但是，他根据他那个时代所积累的天文观测和日常经验，加上他自己的天才，对行星运动的规律作出了自己的猜测。

张衡在《灵宪》中说：“文曜丽乎天，其动者七，日、月、五星是也，周旋右回，天道者，贵顺也。近天则迟，远天则速。行则屈，屈则留回，留回则逆，逆则迟，迫于天也。”他认为，行星的右旋是一种自然规律??天道。他又因为天本身是从东向西运动的，所以又提出，越靠近天，行星的运动所受到天的影响也就越大（“迫于天”），这就可以解释行星速度为什么会放慢下来，甚至可以完全停止，乃至倒退（逆行）。这种天的影响力使行星速度发生变化的想法，是对控制天体运动的力的一种思辨性解释。张衡的解释是早期中国天文学史上探求天体运动变化的物理机制的最后一个企图。这种企图由于整个科学发展状况的条件限制，在古代中国就没有可能得到发展和解决。正因为如此，张衡的解释努力应得到后人的钦佩，而不因其牵强不科学而忽视。

五星中火、木、土三行星离太阳比离地要远。金、水二星则高太阳比离地要近。前三者称为外行星，后二者称内行星。张衡当时还不能测定行星与太阳的距离，他当然无法说出何为内行星，何为外行星（这问题也是哥白尼开始才解决的）。但是他已经知道三外行星速度比太阳（实即地球）慢，而二内行星则比太阳快。他还观测到“行迟者觌于东”，即三行星都是先在早晨从东方地平线上出现。以后太阳离它越来越远，过相当时间后太阳反从西面赶上外行星，终于使它在黄昏时被淹没在太阳光中。直到太阳赶过它相当远后，它又在早晨出现在东方地平线上。而内行星则不同，它不但会在早晨出现于东方地平线上，也会在黄昏出现在西方地平线上，以后仍然在黄昏消失于太阳光中。因此张衡称之为“行速者觌于西”。于是他借用阴阳观念说道：“觌于东属阳”，“觌于西属阴”。并且用“日与月此配合也”，把五星分成二类：“摄提（木星）、荧惑（火星）、地候（土星）见晨，附于日也。太白（金星）、辰星（水星）见昏，附于月也。二阴三阳，参天两地，故男女取焉。”虽然没有内、外行星的概念，但两者是区分得清清楚楚的。而且其中终究运用了某种距离的概念，这是在中国古代天文学中极为少见的。循此以往，未必不能发展出正确的概念来。很可惜的是，以后再没有人往这个方向去努力。