張衡地動儀的工作原理主要基於慣性原理和巧妙的機械結構設計。具體來說，地動儀內部有一個中板，下方連線著青銅球和八個通道，以及八個激活龍嘴的槓桿。當地震波傳來時，地動儀會向波動的方向移動，但中板不會立即反應。青銅球因慣性向相反方向移動，落入通道並撞擊槓桿，使龍嘴釋放小銅珠，小銅珠落入蟾蜍口中，以此指示地震發生的方向。
此外，地動儀還包含了一套巧制的機械反饋裝置，用於阻止候風部件的連續擺動，從而防止誤動作。地動儀的設計精巧，利用了懸垂擺原理來感知地震，即通過地震引起的地面運動與內部懸掛柱體的相對運動來觸發機制。