O som de Full Moon Fever mostra uma clara influência de Jeff Lynne, que também participou da produção. Percebe-se uma sonoridade mais polida, com camadas de teclados e coros que lhe conferem uma atmosfera que lembra os Beatles. Petty prestou homenagem às suas referências, incluindo um cover de "Feel a Whole Lot Better" de The Byrds e fazendo acenos a Del Shannon em Runnin' Down a Dream. Canções como Free Fallin' abordam a nostalgia no caminho para o reconhecimento. O ritmo de A Mind With a Heart of Its Own evoca o estilo de Bo Diddley, enquanto The Apartment Song apresenta um interlúdio instrumental com um padrão de bateria que lembra "Peggy Sue" de Buddy Holly. A composição das faixas baseou-se principalmente na colaboração entre Petty e Lynne.
O álbum, lançado em 24 de abril de 1989, tornou-se um sucesso comercial e de crítica. Alcançou o 3º lugar na Billboard 200 dos Estados Unidos e foi certificado 5 vezes platina lá, além de 6 vezes platina no Canadá. Três singles do disco conseguiram se posicionar no top 20 da Billboard Hot 100, e cinco deles lideraram a lista de Mainstream Rock. Em 2019, Full Moon Fever foi incluído no Grammy Hall of Fame, e em 2020, a revista Rolling Stone o posicionou em 298º lugar em sua lista dos "500 Greatest Albums of All Time".