Flight MU736 var på väg från Sydney i Australien till Shanghai, men piloten rapporterade problem med motorn ungefär en timme efter start.
Passagerare, som var tvungna att övernatta i Sydney, berättade för media att de luktade något som brann inne i flygplanet.
Airbus A330 landade säkert och det fanns inga rapporter om skador.
Bilder som cirkulerade på sociala medier visade ett stort hål i motorhöljet.
Flera passagerare sade att de hade hört ett högt ljud från vänster motor strax efter start.
En passagerare sade till Australiens Seven News-nätverk: "Vi hörde plötsligt detta ljud... det liksom luktade som att bränna".
"Jag var jätterädd. Vår grupp var skräckslagen."
En kvinna på planet sade till nyhetsbyrån Reuters: "Kabinbesättningen gick ut och sade åt oss att spänna fast säkerhetsbältena och försökte lugna ner oss, men vi var faktiskt mycket panikslagna eftersom vi inte hade någon aning om vad som hände."
Passagerarna sa att besättningen tömde sätena nära den drabbade motorn.
China Eastern Airlines sade i ett uttalande till media att besättningen hade "observerat den onormala situationen för den vänstra motorn och beslutat att återvända till Sydney flygplats omedelbart".
Det tillade att alla passagerare skulle placeras på flygningar som avgår på måndag.
Luftfartssäkerhetsmyndigheterna undersöker nu.
Luftfartsexpert Greg Waldron av konsultföretaget FlightGlobal berättade för BBC att det skulle vara "svårt att i detta tidiga skede säga vad som orsakade så omfattande skador" till det kinesiska östra planet.
Han sade att utredare sannolikt skulle titta på alla möjliga faktorer och undersöka underhållsjournaler av flygplanet och motorn. "De kommer också att noggrant bedöma om ett utländskt objekt kan ha spelat en roll i detta", sade han.
Förra månaden publicerade industrins webbplatser The Aviation Herald and Aero.de bilder från sociala medier som visade ett liknande hål i ett annat flygplans motorhölje.
Waldron tillade att det skulle vara "för tidigt" att säga om Sydney incidenten var kopplad till andra fall, men det skulle vara något utredare skulle överväga.
Ett China Eastern Airlines plan har fått vända tillbaka till Sydney flygplats efter ett tekniskt fel som lämnade ett hål i ett motorhölje.