Yellowstone, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki en iyi megafauna (çok büyük hayvanlar) vahşi yaşamına sahip olarak görülmektedir. Parkta aralarında gri kurt, tehdit altındaki vaşak ve boz ayıların da bulunduğu yaklaşık 60 memeli türü bulunmaktadır. Diğer büyük memeliler bizon (bufalo), siyah ayı, geyik, geyik, katır geyiği, beyaz kuyruklu geyik, dağ keçisi, pronghorn, bighorn koyunu ve dağ aslanıdır.
Bizon
Bizonların sayısı bir zamanlar Kuzey Amerika'da 30 ila 60 milyon arasındaydı. Yellowstone onların son kalelerinden biridir. Sayıları 1902 yılında parkta 50'den az iken 2003 yılında 4,000'e yükselmiştir.
Parktaki en yüksek bizon sayısı 2005 yılında 4.900 idi. Yaz aylarında 2007'de 4.700 olarak tahmin edilen sayı 2008'de 3.000'e düşmüştür. Bu, sert bir kış ve yüzlerce kişinin kesime gönderildiği tartışmalı bir bruselloz yönetiminden sonraydı. Hayvan ve Bitki Sağlığı Teftiş Servisi (APHIS) aşılama ve diğer yöntemlerle brusellozun Yellowstone'daki bizon ve geyik sürülerinden elimine edilebileceğini belirtmiştir.
Kurtlar
1914 yılından itibaren ABD Kongresi, kamu arazilerinde "kurtların, çayır köpeklerinin ve tarım ve hayvancılığa zarar veren diğer hayvanların yok edilmesi" amacıyla fon sağlamıştır. Kurtlar Yellowstone'dan gittikten sonra, çakal parkın en büyük köpek yırtıcısı haline geldi. Ancak çakal büyük hayvanları avlayamaz. Sonuç, sakat ve hasta megafauna sayısında büyük bir artış oldu.
1990'lara gelindiğinde Federal Hükümet kurtlar konusundaki fikrini değiştirmişti. ABD Balık ve Vahşi Yaşam Servisi'nin tartışmalı bir kararıyla Kanada'dan ithal edilen kurtlar parka getirildi. 2005'te yapılan bir araştırma Yellowstone'da 13 kurt sürüsü, toplamda 118 kurt ve tüm ekosistemde 326 kurt olduğunu gösterdi.
Wyoming, Montana ve Idaho eyaletlerinde kurtların sayısındaki artış o kadar başarılı oldu ki, artık nesli tükenmekte olan türler listesinde değiller.
Ayılar
Büyük Yellowstone Ekosistemi'nde yaklaşık 600 boz ayı yaşamaktadır ve bunların yarısından fazlası Yellowstone'da yaşamaktadır.
Elk
Yellowstone'da 30.000'den fazla geyik bulunmaktadır; bu sayı, tüm büyük memeli türleri arasında en yüksek sayıdır. Kuzey sürüsü 1990'ların ortalarından bu yana çok daha küçülmüştür. Bunun nedeni kurtlar olabilir. Ayrıca, geyikler kurtlardan kaçmak için daha ormanlık bölgeleri kullanıyor ve araştırmacıların onları saymasını zorlaştırıyor. Kuzey sürüsü kışın batıya, güneybatı Montana'ya göç eder. Güneydeki sürü ise güneye doğru göç eder ve bu geyiklerin çoğu kışı Grand Teton Ulusal Parkı'nın güneydoğusundaki Ulusal Geyik Sığınağı'nda geçirir. Güney sürüsünün göçü, Alaska dışında ABD'deki en büyük memeli göçüdür.
Diğer yırtıcılar
2003 yılında bir dişi vaşak ve yavrusunun izleri tespit edilmiş ve 2 mil (3,2 kilometre) boyunca takip edilmiştir. Dışkı materyalleri ve elde edilen diğer kanıtlar test edilmiş ve vaşağa ait oldukları doğrulanmıştır. Ancak hiç kimse gerçekten bir vaşak görmemiştir. Vaşak 1998'den beri Yellowstone'da görülmemiştir, ancak saç örneklerinden alınan DNA vaşağın en azından parktan geçtiğini göstermiştir. Daha seyrek görülen diğer memeliler ise dağ aslanı ve porsuktur. Parkta yaklaşık 25 dağ aslanı bulunmaktadır. İnsanlar kaç tane porsuk olduğunu bilmemektedir.
Yellowstone aynı zamanda boyalı kaplumbağa ve çayır çıngıraklı yılanı gibi altı sürüngen türüne ve boreal koro kurbağası da dahil olmak üzere dört amfibi türüne ev sahipliği yapmaktadır.
Balık
Yellowstone'da aralarında Yellowstone boğaz alabalığının da bulunduğu on sekiz balık türü yaşamaktadır. Bu balık olta balıkçıları tarafından çok aranır ve çoğu Yellowstone'da yaşar. Yellowstone boğazlı alabalığı 1980'lerden bu yana, daha küçük boğazlı alabalıkları yiyen istilacı bir tür olan göl alabalığının Yellowstone Gölü'ne yasadışı yollardan sokulduğundan şüphelenilmesi de dahil olmak üzere çeşitli tehditlerle karşı karşıya kalmıştır. Boğaz alabalığı ayrıca devam eden kuraklığın yanı sıra genç balıkları öldüren bir parazitin (sarmal hastalığı) kazara göle girmesiyle de karşı karşıya kalmıştır. 2001 yılından bu yana Yellowstone su yollarında yakalanan tüm yerli spor balık türleri yakala ve bırak yasasına tabidir.
Kuşlar
311 kuş türü rapor edilmiştir. Bunların neredeyse yarısı Yellowstone'da yuva yapmaktadır. 1999 yılı itibariyle, yirmi altı çift kel kartalın yuva yaptığı belgelenmiştir. Son derece nadir görülen boğmaca turnaları kaydedilmiştir; dünya çapında bilinen 385 turnadan sadece üçünün Rocky Dağları'nda yaşadığı bilinmektedir. Yellowstone'da nadir görülmeleri nedeniyle özel ilgi gerektiren türler olarak kabul edilen diğer kuşlar arasında bayağı dalgıç kuşu, alacalı ördek, balık kartalı, gökdoğan ve trompetçi kuğu bulunmaktadır.