Moonlight Sinatra fue lanzado en marzo de 1966 por Reprise Records. Producido por Sonny Burke, los arreglos y la dirección estuvieron a cargo de Nelson Riddle. Las sesiones de grabación se realizaron en los estudios de Reprise en Hollywood, California, a principios de 1966.
El álbum es un álbum temático centrado en canciones que mencionan la luna, con un enfoque en baladas románticas y orquestaciones suaves. Fue el último álbum de estudio de Sinatra con arreglos de Nelson Riddle hasta 1980.
El álbum alcanzó el número 5 en la lista Billboard 200. Aunque no produjo sencillos de gran éxito, es apreciado por su atmósfera cohesiva y la química entre Sinatra y Riddle.