张惠言作为经学家，其主要贡献是对《易》和《仪礼》的研究。他以惠栋的方法治《易》，立说专宗虞翻，参以郑玄、荀爽诸家之言。著《周易虞氏义》九卷，将虞翻对《易》的解说发挥尽致。
张惠言对虞氏易学予以高度评价，谓“翻之言《易》，以阴阳消息、六爻发挥旁通升降上下归于乾元用九而天下治，依物取类，贯穿比附，始若琐碎，及其沈深解剥，离根散叶，畅茂条理，遂于大道”。而对后儒解《易》之学则多有批评，谓虞氏《易》学，“后儒罕能通之”，指出：“自魏王弼以虚空之言解《易》，唐立之学官，百汉世诸儒之说微，独资州李鼎祚作《周易集解》，颇采古《易》家言，而翻注为多。其后古书尽亡，而宋道士陈搏以意造为龙图，其图刘牧以为《易》之河图、洛书也。河南邵雍又为先天、后天之图，宋之说《易》者翕然宗之，以至于今，牢不可破，而《易》阴阳之大义盖尽晦矣”。（《周易虞氏义序》）
张惠言认为古书亡而汉魏师说略可见者仅十余家，唯荀爽、
郑玄、虞翻略有梗概可指说，而虞氏之说又较备，故“求七十子之微言、田、何、杨叔、丁将军之所传者”，必自虞氏之注。又著《消息》二卷、《虞氏易礼》二卷、《易候》一卷、《易言》二卷，于虞氏《易》成一家之言。还著有《周易郑氏义》三卷、《周易萄氏九家义》一卷、《周易郑荀义》三卷、《易义别录》十四卷、《易纬略义》三卷、《易图条辨》二卷，尽括汉《易》各家古义，以羽翼虞氏《易》。
张惠言于《礼》主郑玄。著《仪礼图》六卷，谓治《仪礼》者当先明宫室，故兼采唐、宋、元及本朝诸儒之义，断以经注，首列官室图，而后依图此事。又详考吉凶冠服之制，为之图表。又著《读仪礼记》二卷，摘录《仪礼》章句，附以诸家特别是郑玄的注释。张惠言还研究过墨家教义，撰有《墨子经说解》二卷。他亦治《说文》，著《说文谐声谱》未竟。