張衡博物館的總體規劃，是在不少專家、學者多次論證的基礎上，由河南省古代建築研究所設計完成的。設計者考慮了張衡墓園與周圍環境、地形、地貌的結合，汲取了我國古代建築中優秀的傳統經驗，以倣漢建築的外觀，青灰色為主體的色調，來烘托墓園及博物館莊嚴肅穆的氣氛，從整體佈局到單體建築形象都隱喻出張衡在歷史上的傑出貢獻。
總體規劃佔地約３８０００平方米。由張衡墓園和博物館兩大部分組成。墓園規劃佔地約１５０００平方米。以墓園現狀為基礎佈置在南北中軸線上，大體可分為兩個部分，南部包括漢闕、門房、曲橋、碑樓、廊房、石像生、祭臺、墓道；北部有石臺階、石享堂、張衡半身雕像、碑墻、墓冢、角樓等。
墓園入口，位於最南端，首先進入人們視野的是一對高大雄偉的漢闕，漢闕為磚石結構，上覆重檐屋頂，闕身上部飾有鬥拱和鳳鳥，頂部檐下，兩個頑童手抓屋檐，在嬉戲遊蕩，憨態可掬。漢闕過後，東西兩側各有面闊七間的門房，門房頂部各建望樓一座，東西對稱，頗為壯觀。循路北行不遠，是一座十字形曲橋，東西通向碑樓和廊房，正北通向墓冢。沿中軸線繼續前行，兩側石像生排列有序，穿過正中的祭臺，拾階而上，便是一片平地。站在這裡，放眼眺望，蒲峰遠峙，洱河如帶，古塔巍然聳立，村莊田舍相間，近處樓亭各抱其勢，奇樹異草爭榮鬥妍。宛如一幅優美的彩墨長卷，讓人心曠神怡，流連忘返。穿過石享堂，便是一尊通高五米的張衡半身花剛岩石像，雕像仰首凝視、神態莊重，栩栩如生。基座為鋼筋水泥結構，大理石覆面，四週鐫刻碑文和“渾天儀”“地震儀”浮雕。雕像背後，為一碑墻，碑墻呈深灰色，上面鐫刻著張衡歌頌家鄉的《南都賦》全文。繞過碑墻便是高大的“覆鬥形”墓冢，四週松柏簇擁，並辟有環形甬道，供遊人們瞻仰游覽之便。
張衡博物館，位於張衡墓園西側，瀕臨新修的公路，佔地約２３０００平方米。其主要建築有門樓、綜合展廳、古天文館、模擬地震館、碑刻長廊、綜合展廳等。通過這些展廳、館，可使觀眾對張衡的生平事跡、科學貢獻、創造發明及文學成就有一個全面了解。古天文館：其設計是根據漢代“靈臺”、揉合中國傳統曆法數字進行的。裏面可展覽我國在古天文學上的突出貢獻及成就。其屋 頂可複製古天文儀器及現代觀測天文儀器，既能向廣大群眾宣傳天文知識，又可供專業學術團體進行科學研究；模擬地震館：陳列我國地震歷史資料和宣傳普及防震知識；同時將觀眾席設計為可動性設施，使觀眾坐其上，能親身體驗到各級地震震況，並伴有地聲、地光、異常氣味等地震所發生的自然奇異現象。碑刻長廊內收集鐫刻古今名人咏句。總之，張衡博物館將建成為弘揚民族優秀文化，普及科學知識，向廣大群眾進行愛國主義教育的良好場所。
根據“總體規劃，分期施工”的要求，當前正在施工的是張衡墓園建設工程。現除了張衡雕像、石像生、正在雕制安裝外，已經完成了圍墻、廊房、門房、角樓以及墓區內道路硬化和綠化種植任務。使張衡墓園的建設初具規模。
張衡博物館的興建，得到了各級領導及有關部門的大力支援，在社會上引起了極大的反響。不少領導，群眾慷慨解囊、捐款資助，充分表達了廣大群眾熱愛科學、崇敬張衡的思想感情，正像當時的國家文物局局長張德勤在張衡墓園聽取了張衡博物館建設工作彙報後所説的“為張衡墓園捐款，這不僅僅是幾個錢的問題，更重要的是激發了廣大群眾愛國主義和熱愛科學的熱情，達到了教育目的”。展望未來，前景喜人。一座規模宏大，氣勢壯觀的張衡博物館，在南陽這座歷史文化名城勃然興起，它對於繼承和弘揚我們中華民族的優秀文化，增強科技意識，振奮民族精神，促進社會主義兩大文明建設以及擴大我國人民同世界各國人民的科學文化交流和友好往來，都具有十分重要的意義。
