一行俗名張遂，生於西元683年，父親原籍甘肅省敦煌，後遷魏州昌樂（河南省南樂縣），這裡就是張遂的誕生地。他的父親做過幾任縣令，很早就去世。留下遺孤，過著貧苦的生活。他自幼至長，好學不倦，最喜歡研究歷像及陰陽五行之說，再進而研究有關天文、曆法的學問。
20歲時，張遂到京都長安拜師求學。長安元都觀有位博學多聞的道士尹崇，張遂經常去拜謁尹崇，向他借書看。有一次張遂借了一部東漢楊雄寫的《太玄經》，這是一部晦澀難懂的哲學著作，講了許多自然科學知識。過了幾天，張遂便把書還給了尹崇。尹崇以為張遂是覺得這部書太深奧，失去了興趣，便來還書。當張遂拿著自己寫的讀書筆記向他請教時，尹崇看後大吃一驚，因為尹崇對這本書已研究多年，卻沒有搞明白，而張遂已經看懂了書中的道理。從此，張遂在長安名聲大振。
武則天登基後，其侄武三思被封為梁王，官居尚書。武三思頗愛沽名釣譽，到處拉攏文人名士來抬高自己的身價。武三思指名要與張遂結交，張遂秉性正直，不屑與之為伍，就假托有病，閉門不見。時間長了，武三思多方設法拉攏，張遂無計可施，便產生了遁世出家的打算。公元705年，他入嵩山崇陽寺（河南省登封縣）削髮為僧，改名敬賢，法號「一行法師」，在嵩山跟隨普寂師父修習。從此張遂的名字，漸漸埋沒。後世人只知一行，不知張遂。
出家之後，一行除了研究佛學外，又研究天文、歷算。並且周遊各地。到了天台山國清寺（即今浙江省天台縣）修行多年，直到睿宗景雲二年（西元711年）才回到嵩山崇陽寺，就在那一年，朝廷派員到嵩山徵召一行出山為國服務，他托病謝辭，後來又作第二次出遊，到了荊州當陽縣玉泉山（今湖北省當陽縣），就在那裏研究佛學及其他學識不再回嵩山了。
在佛教受到朝廷高度重視的唐朝，想在嵩山出家躲避紅塵，對於才名出眾的一行來說很不現實。朝廷多次有意吸納多才多藝的一行入朝參政，但視功名利祿為纍贅的一行婉辭不受。
唐玄宗開元五年（西元717年）一行被族親推薦回到長安。皇帝立即召見，安排在光太殿居住。不久讓他在華嚴寺和印度來華的僧侶，翻譯多部佛經，傳導密宗的教義。皇帝時常召見，垂詢安國撫民之道。深得玄宗信任。
中國古代農耕與歷像、節氣關係密切，因此歷代帝王無不重視天文。自唐玄宗開元九（西元721年）開始，一行奉旨改革曆法工作，從實測天文著手。可是那時太史監所存天文儀器，都已破舊，不堪使用，只好重新計劃製造。就在皇宮麗正殿當作工場，製造黃道游儀的最初模型，然後奏請皇帝用銅鐵鑄造。於開元十二年（西元 724年）製造成功。第二年製造水運渾儀的結構，再用銅鑄造成功。該儀結構複雜，而且奇巧，可以反映日、月、五星運行規律的渾天儀。又是一個自動計時器，利用水力推動，每時辰自動擊鼓，每一刻自動撞鐘。可以說是全世界最早的第一台天文時鐘。
一行發動大規模觀測隊，先於開元十二年（西元724年）召集測量人員於麗正殿書院議事，分配工作，校正尺度，取黃河之南北平原為中心，曾在陽城建立一座八尺日規，並立一個石表（即石柱）上刻周公測景台。
製造天文儀器，進行大規模觀測之後，一行於開元十二年開始編寫新曆法，儘量參考從前曆法優點，從上古六歷，漢代太初歷，甚至唐朝麟德歷，又經四年長時間過濾，才告成功，名為《大衍歷》。《大衍歷》共有52卷之巨，結構嚴謹，條理分明。
公元728年，《大衍歷》頒行天下後，風靡一時，深受歡迎。《大衍歷》比著名數學家祖沖之等前人編撰的曆法，都要準確得多，還對日本、印度的曆法產生過重大影響。《大衍歷》頒定不久後傳入日本，公元763年，日本淳仁天王詔令廢除日本的《儀風歷》，改用中國的《大衍歷》。自公元727年《大衍歷》問世以後，直到明朝末年採用西方曆法的近900年時間裏，每次修訂曆法都是以《大衍歷》為基礎，可見其影響之深遠。300年後，北宋著名科學家沈括對《大衍歷》還十分推崇，他說：「開元《大衍歷》最為精密，歷代用其朔法。」
一行創造了世界天文學史上的三個第一：首次測量地球子午線長度；第一次提出了月亮比太陽離地球近的論點；第一次發現恆星運動。一行是世界上最早發現恆星運動的科學家。通過觀察，一行比較正確地掌握了太陽運動的規律，他還發現了恆星位置移動的現象，比英國天文學家哈雷在公元1718年提出的恆星自行的觀點要早1000年。1982年國際上將月球劃分為幾個區域，將其中的一個區域命名為 「一行」。
到了開元末年，裴寬為河南府尹。他篤信佛教，以師父之禮對待嵩山的普寂禪師，白天晚上都去拜訪他。有一天，裴寬又到了普寂處，普寂說：「我正有件小事，無暇與你漫談，暫請在此休息一下。」裴寬悄悄地來到一間空房子，見普寂清洗完正面殿堂，點上香，端坐在那裏。沒坐多久，突然聽到敲門聲，連聲說道「天師一行和尚到了。」
一行走了進來，到普寂跟前行禮，行完禮之後，貼近普寂的耳朵悄悄說話，樣子極其恭敬。普寂只是接受，毫無不同意的表示。密語完了又行禮，行禮完了又密語，如此反覆多次，普寂只說「是、是」，沒有不應允的。一行說完後，走下台階，進了南屋，自己把門關好。普寂便徐徐吩咐弟子道：「放鐘！一行和尚滅度了！」身邊的人急忙跑過去查看，果然像普寂法師說的一樣。
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