El sonido de Full Moon Fever muestra una clara influencia de Jeff Lynne, quien también participó en la producción. Se percibe una sonoridad más pulida, con capas de teclados y coros que le otorgan una atmósfera que recuerda a los Beatles. Petty rindió homenaje a sus referentes, incluyendo una versión de "Feel a Whole Lot Better" de The Byrds y haciendo guiños a Del Shannon en Runnin' Down a Dream. Canciones como Free Fallin' abordan la nostalgia en el camino hacia el reconocimiento. El ritmo de A Mind With a Heart of Its Own evoca el estilo de Bo Diddley, mientras que The Apartment Song presenta un interludio instrumental con un patrón de batería que recuerda a "Peggy Sue" de Buddy Holly. La composición de los temas se basó principalmente en la colaboración entre Petty y Lynne.
El álbum, lanzado el 24 de abril de 1989, se convirtió en un éxito comercial y de crítica. Alcanzó el puesto número 3 en el Billboard 200 de Estados Unidos y fue certificado 5 veces platino allí, además de 6 veces platino en Canadá. Tres sencillos del disco lograron ubicarse en el top 20 del Billboard Hot 100, y cinco de ellos encabezaron la lista de Mainstream Rock. En 2019, Full Moon Fever fue incluido en el Grammy Hall of Fame, y en 2020, la revista Rolling Stone lo posicionó en el número 298 de su lista de los "500 Greatest Albums of All Time".