秦漢時期，國家的統一，疆域的拓展，政治的穩定，經濟的繁榮和四通八達的交通網的形成，為人們提供了更廣闊的視野，同時也為地理學的發展提供了極為有利的條件。這一時期，無論在地圖的製作，地理學知識的豐富，還是在地理學著述方麵，都比前代有了很大的提高。
一、地圖的製作
秦始皇統一六國後，為了加強對全國的控製，實施有效的管理，十分重視地圖的繪製與收集工作。據估計，在當時不僅備有六國地圖，而且還可能有了天下一統的綜合輿圖。《史記·蕭相國世家》記載，劉邦軍攻入秦都鹹陽後，“諸將爭趨金帛財物之府分之，（兼）何獨先入秦丞相禦史律令圖書藏之”。劉邦因而得以知道“天下阨塞、戶口多少，強弱之處”，它對於劉邦戰勝項羽、建立漢朝起了很大作用。由此也可以看出當時地圖已具有了一定的準確性和豐富的內容。可惜，由於地圖不易保存，秦代的地圖一幅也沒能流傳下來。
漢代的地圖製作有了更大的發展。漢代的地圖又稱為“輿地圖”。從一些史書記載看，漢代的地圖是比較精確的。如《史記·淮南王劉安列傳》記載，淮南王劉安想要謀反，“日夜與伍被、左吳等案輿地圖，部署兵所從入”。可見劉安等人是從地圖上研究部署進軍關中的路線，說明當時的地圖已相當精確、可靠。又如《漢書·嚴助傳》記載漢武帝曾打算攻擊閩越，“以其地圖察其山川要塞，相去不過數寸，而閩獨數百裏”。這是說閩越地區已有了小比例尺的地圖，從圖上看隻有幾寸，而實際上卻有數百千裏遠。《後漢書·張衡傳》還記載張衡曾撰《算罔論》，唐李賢注為“蓋罔絡天地而算之，因名焉”。從“罔絡天地而算之”一語看，當時似已有了罔絡天地的地圖。英國科技史家李約瑟將其稱為方格圖。若果如其言，則是漢代地圖製作上相當大的改進。
絕大部分漢代地圖已**然無存。所幸的是，1973年在長沙馬王堆漢墓中發現了三幅繪在帛上的地圖，有地形圖、駐軍圖、城邑圖各一幅，是距今2100年前西漢初年繪製的。這三幅地圖的發現，使我們窺知當時地圖測繪的精度、技術、形製等問題，為研究古代地圖提供了珍貴的實物資料。下麵對這幾幅地圖的基本情況作一介紹。
地形圖長寬各96厘米，圖的地形範圍在湖南省南部的瀟水流域一帶，瀟水是湘江第一大支流。圖上繪有山脈、河流、居民點和道路等。山脈用閉合曲線表示，閉合曲線裏還附加暈線，使山脈的輪廓和走向躍然紙上。圖上的九嶷山除用比較粗的閉合曲線勾出山體外，又用細線畫成魚鱗狀，表示峰巒起伏的特征，很像現代的等高線畫法。河流用上遊細、下遊漸次變粗的曲線表示，生動地反映了河流的自然特征；它的注記有一定的位置，深水（就是現在的瀟水）和冷水還注明了水源。居民點中，縣治用方框表示，鄉裏用圓圈標出，注記都在框裏。道路用細線表示。整幅地圖繁而不亂，井然有序。
駐軍圖長98厘米，寬78厘米，它的範圍隻是在地形圖的東南部地區，內容除山脈、河流、居民點和道路外，還表明了駐軍的布防、防區界線和指揮城堡等，反映了軍事守備部的特點。它是一幅彩色地圖，河流、湖泊用田青色，軍事駐地用黑底套紅勾框，居民點用紅圈或黑圈，有的還在旁邊注上戶數，道路用紅色虛線，等等。整幅圖給人一目了然的感覺。此外，該圖還將難以用符號標記的軍事要素加以文字說明，有關的作戰思想和戰鬥決心也有文字說明。
城邑圖是一個縣城的平麵圖，繪有城垣和房屋等。
從以上三幅地圖看，漢代的地圖已具有以下幾個明顯的特征：第一，圖裏的內容已具備了現代地形圖的基本要素，而且已經采用了統一的圖例。這些圖都有固定的方位和比例尺，方位是下北、上南、左為東、右為西，與現代地圖的方位正好相反。地形圖在中心部位的比例尺為十八萬分之一，周圍治外部分要小一些。駐軍圖比例尺為八萬到十萬分之一。這些圖對於山脈、河流、居民點和道路等，都有一定的標記。第二，繪製技術熟練高超，精確度高。從這三幅出土的地圖看，漢代的清繪技術已相當熟練，如河流粗細變化均勻，河口處沒有通常容易繪錯的倒流現象等。從繪製的精度看，專家們曾把這份地形圖與現代南嶺地區的地形簡圖比較，深水（今瀟水）河道已與今日相仿佛，縣城中的營鋪（今湖南道縣）、南平（今藍山縣）、舂陵（今新田縣）等位置準確，九嶷山和都龐嶺迂曲盤繞，也與今天位置大體相當。第三，這些地圖是經過實測而繪製的，因而也必然涉及測繪技術。要繪製具有一定精確度的地圖，不經過實地勘測是不行的。把高低不平的地形繪成平麵圖形，需要進行計算，這時期雖有勾股重差法能夠勝任這項計算，但對這樣大麵積的地區進行全麵測量、逐處計算卻絕非易事。從地圖上看，九嶷山的高度顯然是經過測量的，其餘的高度和坡度可能是估計的。但是，考慮到它們是距今兩千多年以前的漢代人的作品，其科學的態度與高超的製圖水平仍令人歎服。
二、《史記》《漢書》的地理學成就
早在先秦時期，中國就有了一些重要的地理學著作，如《山海經》《禹貢》等。到了漢代，中國地理學著作方麵又呈現出了新的氣象，取得了令人矚目的成就。《史記》和《漢書》，不僅是兩部重要的史學著作，而且也是具有劃時代意義的地理學著作，代表了當時地理學發展的最高水平。
在司馬遷所撰寫的《史記》一書中，豐富而又翔實的地理學知識在多方麵得到體現，並給人一種耳目一新的感受。如其中的《河渠書》，是我國古代第一部專論水瀆的地理學著作。《禹貢》記載了人們的治河治水活動，但其中講到水瀆的部分不及全篇的1／3。《河渠書》在一定意義上可以說是對《禹貢》導水部分的繼承和發揮。全篇共分為三個部分。第一部分敘禹跡，但並不囿於《禹貢》的記述，而是在親自勘探、考察的基礎上，提出了一些新的、發人深省的問題。如對於大禹治水為什麽要導河北行、至碣石入海，而不順流東經徐州入海這一問題，司馬遷經過自己的實地考察，得出了這樣的結論，即：“禹以為河所從來者高（指龍門—朔方一段地勢高、落差大），水湍悍，難以行平地，數為敗”，因而於下遊“廝二渠以引其河，北載之高地”，“入於渤海”。這不僅是前人之所未發，而且也體現了司馬遷“事必實際考察，深入思考”的作風。書的第二部分記述了漢以前的水利工程，重點講了在秦國蜀守李冰主持下，對岷江的治理工程，以及秦鄭國渠的修築。第三部分則是對漢代水利工程的記載，這是全篇的重點。漢代治水有三個目的，即治水害、通漕運、溉農田。在司馬遷所生活的漢代，黃河已發生兩次決口，一次是在文帝十二年（前168年），另一次是在武帝元光三年（前132年）。這兩次水害都給人們的生產和生活造成了很大的破壞。《河渠書》就記載了這兩次治河的過程。漕渠的主要工程是引渭水，自長安東行三百餘裏至於河，以代替渭水漕運，三年而成。渠旁又可以之溉田，其利甚博。此外，書中還記載了關中的龍首渠、關東地區的引淮引汶、河西走廊的開渠灌田等工程。
從某種意義上說，《史記·貨殖列傳》也是一部很有價值的地理學著作。它記載了當時我國各地的地理條件、自然資源和物產，指出了區域特點和相互間的聯係，描繪出了兩千年前中國經濟地理的概貌，可以說是中國古代經濟地理的一部代表作。它不僅對於拓展人們的視野，而且對於指導人們的經濟活動、加強各地區間的經濟往來也有著直接的指導意義。
此外，在《史記》一書中，還有大量對於中國邊遠地區和周圍國家風土人情的記載。如《匈奴列傳》《南越列傳》《東越列傳》《朝鮮列傳》《西南夷列傳》《大宛列傳》等，保存了大量中國邊遠地區及域外地理資料。《大宛列傳》是根據張騫通西域的第一手材料寫成的。其中對當時大宛、康居、奄蔡、大月氏、大夏、安息、條枝、身毒等國和地區的人口、兵力、物產、城鎮、交通、河流、湖泊、氣候以及彼此間的相對位置和距離等，都作了不同程度的介紹，可以說是中國古代有關中亞、西亞和南亞一些國家經濟地理的最早文獻。
與《史記》一樣，《漢書》也是一部頗具影響的地理學著作。其中最值得稱道的，當推《地理誌》。《漢書·地理誌》是中國曆史上第一部以“地理”命名的地學著作。此前的《山海經》、《禹貢》等，雖為地理學方麵的重要著作，卻都沒有“地理”之名。《漢書·地理誌》由三部分組成。第一和第三部分分別收錄了前人的地理著述，如《禹貢》和《職方》等。第二部分是全篇的主體，由班固首創，為中國古代地理學著作開創了一種新的體製，這就是以記述疆域政區的建置為主的疆域地理誌。這種體製，為以後中國曆代正史中《地理誌》的撰寫提供了寶貴的範例。而《漢書》作為一部重要的地理學著作，其價值也主要體現在這方麵。
《漢書·地理誌》以西漢平帝元始二年（2年）的建置為基礎，以疆域政區為綱，依次敘述了全國103個郡（國）和所管轄的1587個縣（道、邑、侯國）的建置沿革情況。在每一個郡（國）項中，都記有當地的戶口數，部分郡（國）還記有某些重要的自然和經濟情況。在縣（道、邑、侯國）下還簡要記載了有關山川、水泊、特產、官營工礦、關塞、祠廟、古跡等情況。據統計，該誌所記的山脈共134座，各具名稱，而且大多記有方位；所記水道和陂澤湖池等300多處，在水道發源地所在縣項下注明它的源頭、流向，對比較大的河流還記有所納支流和經行裏數等內容；所記鹽官36處，鐵官48處。毫無疑問，這些記載具有十分重要的經濟和研究價值，是很寶貴的地理文獻資料。它對於全國及各郡國人口數字的記載，是我國最早的人口統計資料。
不僅如此，《漢書·地理誌》中還記載了不少礦藏及其分布情況，因而對於中國科技史的研究具有廣泛的參考價值。誌中除了記載鹽、鐵、銅、金、銀等常見的礦產外，還記載了鉛、錫、文石（又叫霰石，是碳酸鈣的一種晶體礦物）、石油和天然氣等情況。如在上郡高奴縣（今陝西延安）項下，記有“有洧水，可燃”，洧水就是今延河。那時有石油浮在延河水麵，所以可以燃燒。這是中國關於石油資源的最早記載。又如在西河郡鴻門縣（今陝西神木）下，記有“有天封苑火井祠，火從地出也”。這是我國關於天然氣的早期記載。
總之，《漢書·地理誌》是中國地理學發展史上一部具有劃時代意義的不朽之作。它不僅包含有豐富的自然地理知識，而且也有大量人文地理的內容。它開創了中國古代特有的地理學模式。從《漢書·地理誌》開始，我國正史中有2／3都撰有“地理誌”，並且都以其為範本。而中國的地理學著作中，有相當大的篇幅也為這類作品。從某種意義上說，《漢書·地理誌》的出現，標誌著中國古代地理學的走向成熟；同時，它也是漢代社會政治穩定、經濟繁榮的一個縮影。
三、氣象與農業生產
對於大氣現象的觀察與研究，是人們認識自身生存空間——地球的一個有機組成部分。人類在地球上生存、活動，時刻也離不開一定的氣候現象，並根據氣象狀況來安排自己的生產與生活。在古代，氣象和氣候知識的積累與應用在農業生產中占有十分重要的地位。中國自古以農立國，無論是政府機構還是民間，都非常重視對各種氣象現象的觀察、記錄與研究。
大約在戰國末期，中國就已有了比較係統的二十四節氣的概念。秦漢時期，人們在對氣候周期進行長期的觀測、研究的基礎上，二十四節氣的概念已臻於完善。在《淮南子》一書中，有與現在完全一致的二十四節氣名稱的記載。對於二十四節氣的認識，是中國古代勞動人民的一項創造，它集科學性與客觀性於一體，一直為後世所沿用，並流傳到鄰近一些國家。1928年，在國際氣象台台長會議上，英國著名氣象學家蕭伯納還呼籲歐美等國采用中國的二十四節氣。這足以證明中國古代這項科技成就的深遠影響。
二十四節氣之所以從提出到現在一直為人們所采用，具有如此廣泛而深遠的影響，主要是因為它巧妙地將自然現象的有規律的變化與人們的生產、生活有機地結合在一起。二十四節氣中的每一個節氣，都有它特定的意義。有的是反映季節變化，如立春、立夏、立秋、立冬、春分、夏至、秋分、冬至；有的是反映氣溫變化，如小暑、大暑、處暑、小寒、大寒；有的是反映降水和水凝物情況，如雨水、穀雨、白露、寒露、霜降、小雪、大雪；有的是反映物候和作物生長情況，如驚蟄、清明、小滿、芒種。如果把二十四個節氣聯係起來看，就能看出一年中冷、熱、雨、雪的變化和物候變化，並掌握一年中春夏秋冬寒來暑往的變化規律，以此來安排生產和生活。
水利是農業的命脈。而一年中的降雨情況與農業生產、水利工程有著密切的關係。中國幅員遼闊，各地降水分布極不均勻，但對於降水情況的觀察與記錄卻是同樣地重視。中國古代對於降水情況的記載，早在先秦文獻中就比比皆是。秦漢時期也是如此。在湖北雲夢出土的秦簡中，就有這樣的記載：“稼已生而後雨，亦輒言雨水多，所利頃數。”據研究，秦代可能有一項法令，要求各地報告莊稼生長時降水情況，可見當時政府對氣象的關心。《後漢書·禮儀誌》載：“自立春至立夏盡立秋，郡國上雨澤。”這是漢代政府要求各地向中央報告春、夏、秋三季的降雨情況。為了上報雨量情況，當時必定有一種計量降雨量的器具，可惜至今未發現秦漢時代有關的記載和文物。
春夏之際，在中國的江淮流域常存在著較長時間的陰雨天氣，因時值江南梅子成熟，又稱“梅雨”。據東漢應劭《風俗通》記載：“五月落梅風，江淮以為信風；又有霖霪，號為梅雨，沾衣皆敗黦。”這說明至少在漢代人們已注意到了梅雨這種氣候。由於梅雨季節，正是當地作物生長時節，因此雨水狀況對農作物的生長及當年的收成影響重大。若雨水調和，則極有利於作物生長；若雨水持續時間過長或過短，雨量過多或過少，入梅過早或過晚，則都會引起旱澇災害，從而影響到農業收成。所以江淮一帶對於梅雨現象十分重視是很自然的。
據《淮南子·說山訓》記載，中國西漢時期還發明了一種測量空氣濕度的天平式濕度計，名為“懸土炭”法。其方法是在衡（類似天平）的一端懸土，另一端懸炭，“使輕重等，懸空中。天時雨，則炭重；天時晴，則炭輕”。由於炭能吸收水分，“燥故炭輕，濕故炭重”。所以能使天平傾斜發生變化。人們根據這種變化，還能推測晴雨的變化，所謂“懸炭識雨”，起到晴雨計的作用。這是中國古代最早關於濕度計的記載，它反映了中國古代勞動人民的高度智慧。歐洲直到一千多年以後才出現了濕度計。