在各科杂病方面，张机从整体观念出发，根据脏腑经络学说，运用朴素的表述方法，对疾病的病因、发病和每一种病的理法方药都有详略不同的论述，提出了根据脏腑经络病机和四诊八纲进行病与证相结合的辨证方法。他对杂病偏重于个别疾病的研究，有利于深化人们对许多疾病的认识，具有十分明显的优越性，对后世中医病因学说和方剂学的发展产生影响。此外并发展了病因病机学说，『千般灾难，不越三条：一者，经络受邪入脏腑，为内所因也；二者，四肢九窍，血脉相传，壅塞不通，为外皮肤所中也；三者，房室、金刃、虫兽所伤。以此详之，病由都尽。』将复杂的病因概括为三大类，并阐述了三类不同的病因与杂病发生的关系，这可称为中医学中最早的比较明确的病因学说，即后世所谓的三因致病说。关于疾病的发生，张机认为是否发病取决于人体正气的盛衰，强调了正气为本、邪气为标的科学观点。
张机临证处方，法度严谨，在因证立法，以法统方，随证加减等方面，积累了丰富的经验，包含了许多重要的组方原则，因而被后世尊为方剂学的鼻祖，《仲景方》亦被称为《众方之祖》。在《伤寒论》中载方一百一十三首，用药品种八十七种，《金匮要略》中载方二百六十二首，所用药物达一百一十六种。《仲景方》经过长期临床实践验证，疗效显著，至今仍为国内外医家广泛应用，其中有些方剂还照原方制成了成药，足见对方剂学的贡献亦甚为深远。
张机在医学上重要的贡献，是他发明了用人工呼吸急救病人，用这种方法抢救了不少危在旦夕的病人，成为世界上最早独创人工呼吸医疗技术。另外他还发明了，用蜜水或猪胆汁灌肠，治疗便秘以及药物外搽、舌下含药等新的技术，是世界上最早发明灌肠术的医生，给便泌病人带来了福音。另外，张机还有《疗妇人方》、《五脏论》、《口齿论》等书，显见其重视医疗经验和医术的传播。
张机是个博学多能的医生，他既重视疾病的治疗方法，又重视对疾病的预防，他受到人们的称赞和敬佩，不仅因为他精湛的医术，同时也因为他将病患的痛苦以同理心对待。传说张机第一次见到文学家王粲时，王粲是个20多岁的青年，他对王粲说：“你已经患病了，应该及早治疗，如若不然，到了四十岁，眉毛就会脱落，眉毛脱落后半年，就会死去现在服五石汤，还可挽救。”可是王粲听了很不高兴，自认文雅、高贵，身体又没什么不舒服，便不听他的话，更不吃药。过了几天，张机又见到王粲，就问他：“吃药没有？”王粲骗他说：“已经吃了。”张机认真观察一下他的神色，摇摇头，严肃地对王粲说：“你并没有吃药，你的神色跟往时一般。你为什么讳疾忌医，把自己的生命看得这样轻呢？”王粲始终不信张机的话，二十年后眉毛果然慢慢地脱落，眉毛脱落后半年就死了。
正是基于这种反对迷信，反对苟且，注重实践，认真钻研，敢于创新的精神，刻苦的钻研和长期的医疗实践，进一步确立了，运用理法方药和辨证施治的原则，使中医理论与临床实践紧密结合起来，为后世中医学术的发展，奠定了重要的基础，对我国医学的发展，作出了杰出的贡献，他所创立的不少治疗原则和方法，至今仍在临床广泛应用，被后人尊称为「医宗之圣」、或「医圣」。后人在河南南阳市修建了医圣祠，近年又在邓州修建了纪念馆。
