United Airlines-flyget UA2081 startade från Edinburghs flygplats kl. 14:22 men förklarade en andra nödsituation en kort tid senare.
Det kommer en dag efter att samma flygplan omdirigerats till Edinburgh från London Heathrow med ett problem med bränsleläckage.
Det fanns inga passagerare på planet. Flygplatstjänstemännen i Edinburgh sade att det inte hade förekommit någon påverkan på verksamheten.
Planet landade i Edinburgh 15:30, efter att ha kretsat runt flygplatsen i 10 minuter.
En talesman för United Airlines sade: "United Airlines flyg UA2081 från Edinburgh till Chicago idag (13 juli 2016), som omplacerades och inte bar några kunder, återvände till Edinburgh Airport efter start på grund av en mekanisk fråga."
Ett plan på väg till Chicago har tvingats göra en nödlandning för andra gången på två dagar.