馬鈞的另一突出成就是製成了久已失傳的指南車。指南車又名司南車，是古代帝王出行時的先驅車，車上站一木人，伸展手臂指向南方，不管車子怎樣轉動，手臂總是指向南方，因此利用此車可以指示方向。這是古代勞動人民的一項發明創造，最晚在西漢時就已經出現，東漢時著名科學家張衡曾經再次製造指南車，不幸的是，到三國時期指南車再次失傳，許多人已不知道指南車的結構和原理。魏明帝青龍年間（公元233一236年），馬鈞曾在京城擔任小官職。有一天，馬鈞和一部分官員在朝房裡辯論時談到了指南車，他們為此發生了爭論。當時在場的散騎堂侍高堂隆和驍騎將軍秦朗認為：古書上關於指南車的記載是虛構的，不能信以為真，古代並沒有製造過什麼指南車。馬鈞則堅信古代有指南車，不同意他們的看法，他說道：&ot;古代很有可能製造過指南車，只是我們沒有進行深入的研究而已；其實製造指南車並不是人們想像的那麼難，只要肯下功夫，認真鑽研，是可以造出來的。&ot;他這一番話遭到了高堂隆和秦朗的譏笑，他們諷刺道：&ot;先生名鈞，字德衡，鈞是器物的模型，衡是用來定物輕重的；可你說話連輕重都不分，難道可以作為模型嗎？&ot;（古代製陶器所用的轉輪叫陶鈞）馬鈞反駁道；&ot;空口爭論有什麼用！莫如試製一下，自然就可以分清誰對誰錯&ot;，高堂隆和秦朗同意了馬鈞的要求，並把這件事報告了當時的魏明帝，魏明帝就命令馬鈞進行試製以明是非。馬鈞仔細研究了古書的簡略記載，經過刻苦鑽研，提出了初步設想，然後在許多工匠幫助下，進行了反覆試驗，在不太長的時間內終於製成了指南車。高堂隆和秦朗在事實面前啞口無言，只好認輸。馬鈞以自己的實際成果結束了人們的爭論，贏得了眾人信服，自此以後，全國都佩服他的才能和技巧。

在馬鈞之後，又有很多人製造過指南車，如南北朝時的大科學家祖沖之曾將一輛只有外殼的指南車予以修補，增添了內部結構。但歷代史書關於指南車的記載都相當簡略，缺乏具體的機械結構和原理，使後人難以進行仿製。指南車失傳後，後人的製造等於再度發明。宋朝時，著名儀器專家燕肅於公元1027年，吳德仁於公元11o7年又先後重新製造了指南車。《宋史》對他們的製造方法和指南車的內部結構作了比較詳細、明確的記載，根據此書人們知道了歷代指南車的大致結構。解放後，中國歷史博物館根據歷史文獻複製了指南車的模型，陳列在中國通史展覽廳，在參觀歷史博物館時就可以看到。根據文獻記載和今人的研究，指南車的結構和原理大致如下：指南車有兩個直徑為6尺的輪子，兩輪之間的間距也是6尺，每一車輪的內側都有一個帶24個齒的小齒輪；車中有一個帶48個齒的大平輪，輪中堅一立軸，軸上有一本人；在大平輪和車輪邊的小齒輪的上端有一小平輪，小平輪由一根繩索透過滑輪和車轅的後端相連。當車直行時，車轅的前端和後端方向沒有變化，兩邊的小平輪懸在大平輪和小齒輪的上端，大平輪不轉動，豎軸上面的小木人手指正南方不變。當車向左轉彎時，車轅前端向左，後端則向右偏，這樣系在車轅後端的繩索就會左緊而右松，右邊的小平輪就在鐵墜子的重力作用下沉，嵌人車上的大平輪和輪內側的小齒輪中間，與二者的齒輪互相咬合；如果轉子向左轉了90度，車子的右輪就會向左轉90度，同時向前轉動半周，輪側的小齒輪則向前轉動12齒（半周），小齒輪帶動小平輪相應向左轉12齒，小平輪則帶動大平輪向右（相反方向）同樣轉動12齒，轉動的角度恰好為90度，大平輪豎軸上的木人同樣向右轉動90度，抵消車子的左轉，使木人始終保持指向南方，指南車設計的關鍵是大平輪和小平輪的自動離合。這種巧妙的設計代表了我國古代機械設計和製造的高超技藝。