Il suono di Full Moon Fever mostra una chiara influenza di Jeff Lynne, che partecipò anche alla produzione. Si percepisce una sonorità più raffinata, con strati di tastiere e cori che gli conferiscono un'atmosfera che ricorda i Beatles. Petty rese omaggio ai suoi riferimenti, includendo una cover di "Feel a Whole Lot Better" dei The Byrds e facendo allusioni a Del Shannon in Runnin' Down a Dream. Canzoni come Free Fallin' affrontano la nostalgia nel cammino verso il riconoscimento. Il ritmo di A Mind With a Heart of Its Own evoca lo stile di Bo Diddley, mentre The Apartment Song presenta un interludio strumentale con un pattern di batteria che ricorda "Peggy Sue" di Buddy Holly. La composizione dei brani si basò principalmente sulla collaborazione tra Petty e Lynne.
L'album, pubblicato il 24 aprile 1989, divenne un successo commerciale e di critica. Raggiunse il 3º posto nella Billboard 200 degli Stati Uniti e fu certificato 5 volte platino lì, oltre a 6 volte platino in Canada. Tre singoli del disco riuscirono a posizionarsi nella top 20 della Billboard Hot 100, e cinque di essi guidarono la classifica Mainstream Rock. Nel 2019, Full Moon Fever fu inserito nella Grammy Hall of Fame, e nel 2020, la rivista Rolling Stone lo posizionò al numero 298 nella sua lista dei "500 Greatest Albums of All Time".