Животный мир национального парка потрясающе разнообразен. В основном в парке обитают представители фауны лесного пояса. Долины парка славятся прекрасными кормовыми угодьями бизонов и оленей.

В парке живет единственное из сохранившихся в США стадо бизонов. В 2006 году его численность составляла около 2500 голов. Масса этих крупных животных около 900 кг.

В лесах водятся белохвостый и чернохвостый олени, американский лось и канадский олень-вапити. Летом в национальном парке Йеллоустоун собирается порядка 30000 оленей-вапити. Несмотря на внушительную массу (самцы весят до 370 кг) эти олени - искусные прыгуны.

В угромных местах национального парка можно встретить медведя гризли и черного медведя. В Йеллоустоуне медведи самые знаменитые животные. Здесь обитает примерно 200 из всей популяции (около 1000) гризли, обитающих в штатах Айдахо, Вайоминг и Монтана. Медведь гризли значительно крупнее других медведей и достигает до 1,5 метров в холке. Встречаются медведи разного окраса - от бежевого до почти черного.

Десятилетия близкого соседства людей и медведей не прошли бесследно. К сожалению, некоторые посетители национального парка были ранены или даже убиты медведями. Сложившаяся ситуация была неблагоприятна и для самих зверей. В связи с этим в начале 1970-х годов Служба национальных парков США ликвидировала мусорные свалки, чтобы медведи отучались существовать за счет человека. Благодаря этому медведи стали возвращаться в дикую часть парка. Программа прошла успешно. Однако медведей по-прежнему можно встретить в некоторых местах, таких, как Фишинг-Бридж, где пути медведей и людей пресекаются - где и те и другие едят, останавливаются на ночлег или ловят рыбу.

Заслуживает внимания также работа проделанная по восстановлению популяции волка. В 1994 году в национальном парке Йеллоустоун волков не было совсем. В период с 1995 по 1996 год в парк были завезены волки и были предприняты усилия по увеличению их популяции. В настоящее время (2007год) популяция волка на территории национального парка Йеллоустоун достигла 300 особей.

В парке обитает 279 видов птиц, в том числе белоголовый орлан, скопа, северный лунь и оляпка. Лесах национального парка можно встретить сову, кукушку, дятла, пересмешника, канадскую кукшу, зимородка, вьюрка, ткачика и славку. В долине Хайден гнездится пара канадских журавлей. В парке гнездятся также перелетные птицы: утки, гуси, лебедь трубач, американский розовый пеликан.

В парке также обитает множество стрекоз и бабочек. Среди них можно встретить голубого королевского парусника.

Реки и озера изобилуют рыбой: радужная и ручьевая форель, горный белый лосось и лосось Кларка, кумжа, серый горбыль.