张衡博物馆的总体规划，是在不少专家、学者多次论证的基础上，由河南省古代建筑研究所设计完成的。设计者考虑了张衡墓园与周围环境、地形、地貌的结合，汲取了我国古代建筑中优秀的传统经验，以仿汉建筑的外观，青灰色为主体的色调，来烘托墓园及博物馆庄严肃穆的气氛，从整体布局到单体建筑形象都隐喻出张衡在历史上的杰出贡献。
总体规划占地约３８０００平方米。由张衡墓园和博物馆两大部分组成。墓园规划占地约１５０００平方米。以墓园现状为基础布置在南北中轴线上，大体可分为两个部分，南部包括汉阙、门房、曲桥、碑楼、廊房、石像生、祭台、墓道；北部有石台阶、石享堂、张衡半身雕像、碑墙、墓冢、角楼等。
墓园入口，位于最南端，首先进入人们视野的是一对高大雄伟的汉阙，汉阙为砖石结构，上覆重檐屋顶，阙身上部饰有斗拱和凤鸟，顶部檐下，两个顽童手抓屋檐，在嬉戏游荡，憨态可掬。汉阙过后，东西两侧各有面阔七间的门房，门房顶部各建望楼一座，东西对称，颇为壮观。循路北行不远，是一座十字形曲桥，东西通向碑楼和廊房，正北通向墓冢。沿中轴线继续前行，两侧石像生排列有序，穿过正中的祭台，拾阶而上，便是一片平地。站在这里，放眼眺望，蒲峰远峙，洱河如带，古塔巍然耸立，村庄田舍相间，近处楼亭各抱其势，奇树异草争荣斗妍。宛如一幅优美的彩墨长卷，让人心旷神怡，流连忘返。穿过石享堂，便是一尊通高五米的张衡半身花刚岩石像，雕像仰首凝视、神态庄重，栩栩如生。基座为钢筋水泥结构，大理石覆面，四周镌刻碑文和“浑天仪”“地震仪”浮雕。雕像背后，为一碑墙，碑墙呈深灰色，上面镌刻着张衡歌颂家乡的《南都赋》全文。绕过碑墙便是高大的“覆斗形”墓冢，四周松柏簇拥，并辟有环形甬道，供游人们瞻仰游览之便。
张衡博物馆，位于张衡墓园西侧，濒临新修的公路，占地约２３０００平方米。其主要建筑有门楼、综合展厅、古天文馆、模拟地震馆、碑刻长廊、综合展厅等。通过这些展厅、馆，可使观众对张衡的生平事迹、科学贡献、创造发明及文学成就有一个全面了解。古天文馆：其设计是根据汉代“灵台”、揉合中国传统历法数字进行的。里面可展览我国在古天文学上的突出贡献及成就。其屋顶可复制古天文仪器及现代观测天文仪器，既能向广大群众宣传天文知识，又可供专业学术团体进行科学研究；模拟地震馆：陈列我国地震历史资料和宣传普及防震知识；同时将观众席设计为可动性设施，使观众坐其上，能亲身体验到各级地震震况，并伴有地声、地光、异常气味等地震所发生的自然奇异现象。碑刻长廊内收集镌刻古今名人咏句。总之，张衡博物馆将建成为弘扬民族优秀文化，普及科学知识，向广大群众进行爱国主义教育的良好场所。
根据“总体规划，分期施工”的要求，当前正在施工的是张衡墓园建设工程。现除了张衡雕像、石像生、正在雕制安装外，已经完成了围墙、廊房、门房、角楼以及墓区内道路硬化和绿化种植任务。使张衡墓园的建设初具规模。
张衡博物馆的兴建，得到了各级领导及有关部门的大力支持，在社会上引起了极大的反响。不少领导，群众慷慨解囊、捐款资助，充分表达了广大群众热爱科学、崇敬张衡的思想感情，正像当时的国家文物局局长张德勤在张衡墓园听取了张衡博物馆建设工作汇报后所说的“为张衡墓园捐款，这不仅仅是几个钱的问题，更重要的是激发了广大群众爱国主义和热爱科学的热情，达到了教育目的”。展望未来，前景喜人。一座规模宏大，气势壮观的张衡博物馆，在南阳这座历史文化名城勃然兴起，它对于继承和弘扬我们中华民族的优秀文化，增强科技意识，振奋民族精神，促进社会主义两大文明建设以及扩大我国人民同世界各国人民的科学文化交流和友好往来，都具有十分重要的意义。
