张衡地动仪探测地震的原理其实相当巧妙，简单来说，它利用了“惯性”和“杠杆”原理。地动仪的中心有一个“都柱”，这个都柱是悬空的，当地震发生时，地面震动而都柱由于惯性会保持相对静止，这就导致了都柱的晃动。都柱的晃动会拨动连接在八个方向的“牙机”，每个牙机上都连接着相应的“悬垂摆”，悬垂摆的摆锤会因牙机的拨动而摆动，进而触发相应的“机括”，使得对应方向的“龙”张开，并让“蟾蜍”咬住龙嘴中的“珠子”，从而显示出地震发生的方向。
这个装置的关键在于都柱的设计，它能够有效地将地面的震动与仪器的内部结构隔离开来，只有当震动足够强烈时，都柱才会发生明显的位移，从而触发后续的机械结构。这种设计不仅简单实用，而且非常灵敏，能够探测到远距离的地震。