其重回太史台，执掌天文历算之事。复职后的张衡得以摆脱俗务纷扰，潜心于科研与发明，太史台内的观星仪、算具成为其日常相伴之物，他日夜观测天象、推演历数，结合多年所学与实践经验，不断摸索机械制造之法，力求将天文观测与机械技艺相融合，破解世间未解之难题。
永建七年（公元132年），恰逢太学新成、天下崇文之风渐盛，张衡也迎来了自己科研生涯的巅峰时刻，历经数年潜心钻研与反复试验，他终于创造出世界上第一架能够测量地震方向的仪器——地动仪。这架地动仪以精铜铸成，形制精巧、构思奇绝，其外铸有八方龙首，龙首各衔铜珠，下有八只蟾蜍张口承之，内部机关精巧，能感知八方地震波。当某地发生地震，对应方向的龙首便会吐出铜珠，落入蟾蜍口中，发出清脆声响，值守者便可据此知晓地震发生的方位。在科技水平相对落后的东汉时期，这架地动仪的问世，是中国古代科技史上的一大创举，也是世界地震学研究的开山之作，比西方同类地震仪器的发明早了一千八百余年。张衡的这一伟大发明，既得益于其自身的旷世才智与潜心钻研，也离不开刘保一朝对贤才的包容与重用——正是因刘保恢复其太史令之职，为其提供了稳定的研究环境与充足的资源支持，才让这架划时代的仪器得以问世。
刘保在位期间，一面大兴太学、崇文兴教，以一系列举措重振儒学教化，培育天下人才，让东汉的文教事业迎来复苏；一面重视贤才、不拘一格，为张衡这样的科技奇才提供施展抱负的舞台，促成了地动仪这一伟大发明的诞生。文教的兴盛为王朝涵养了士林根基，科技的创获则彰显了时代的智慧，二者相辅相成，让略显纷乱的东汉中后期，留下了一段崇文重技、励精图治的岁月，也为中国古代的教育史与科技史，书写了浓墨重彩的一笔。而太学的空前扩建、地动仪的横空出世，也成为刘保一朝最具标志性的成就，被后世所铭记。
建康元年八月初六日（144年9月20日），刘保在玉堂前殿去世，时年三十岁。刘保死后，其子刘炳继位，是为汉冲帝。同年九月十二日，葬刘保于宪陵，庙号敬宗，谥号孝顺皇帝。
初平元年（190年），经有司奏请，汉献帝废除了刘保在内的四帝的庙号。