En explosion rapporterades på Cheesecake Factory vid omkring 18:00 lokal tid på torsdag, enligt polisen.
Diners evakuerades säkert och ingen skadades i den rapporterade explosionen.
Mannen kastade en "hemgjord pyroteknisk apparat" som innehöll krut i restaurangen innan han flydde, sade en polistjänsteman.
Garrett Gunkle, som satt med sin fru i baren, sa till KNBC-TV att det var kaos när kunderna sprang mot utgångarna i Los Angeles förort.
"Folk hoppade över varandra och kämpade för att komma över barstolar", sade han. "Det var väldigt kaotiskt."
Los Angeles-polisens bombstyrka gick med i Pasadena-polisen på platsen.
Löjtnant Mark Goodman sa att bomben inte var en rörbomb eller en Molotov-cocktail, och inga granatsplitter eller projektiler kastades ut.
Utredare säger att den misstänkte beskrevs som Latino eller Mellanöstern, cirka 6ft lång (1,82 meter), med tungt skägg och klädd i svart kläder.
Ingen flyktbil sågs.
Ett motiv till incidenten var oklart.
"Det kan vara en missnöjd kund, en missnöjd anställd," Löjtnant Goodman tillade.
Federala myndigheter larmades om incidenten, polisen berättade för KABC-TV, men lokala myndigheter sköter utredningen.
Myndigheterna letar efter en misstänkt som slungade en hemgjord brandbomb till en restaurang i Pasadena i Kalifornien.