Yellowstone este considerat a avea cea mai bună megafaună (animale foarte mari) din toate Statele Unite. În parc există aproape 60 de specii de mamifere, inclusiv lupul cenușiu, linxul amenințat și urșii grizzly. Alte mamifere mari sunt bizonul (bivolul), ursul negru, elanul, elanul, cerbul catâr, cerbulcu coadă albă, capra de munte, pronghornul, oaia bighorn și leul de munte.
Bison
În trecut, bizonii numărau între 30 și 60 de milioane de exemplare în America de Nord. Yellowstone este unul dintre ultimele lor bastioane. Numărul lor a crescut de la mai puțin de 50 în parc în 1902 la 4.000 în 2003.
Cel mai mare număr de bizoni din parc a fost de 4.900, în 2005. În ciuda unui număr estimat de vară de 4.700 în 2007, numărul a scăzut la 3.000 în 2008. Asta după o iarnă aspră și un management controversat al brucelozei, când sute de exemplare au fost trimise la abator. Serviciul de Inspecție a Sănătății Animalelor și Plantelor (APHIS) a declarat că, prin vaccinări și alte mijloace, bruceloza poate fi eliminată din efectivele de bizoni și elani din Yellowstone.
Lupii
Începând cu 1914, Congresul SUA a acordat fonduri pentru "distrugerea lupilor, a câinilor de preerie și a altor animale dăunătoare agriculturii și creșterii animalelor" pe terenurile publice. După ce lupii au dispărut din Yellowstone, coiotul a devenit principalul prădător canin al parcului. Cu toate acestea, coiotul nu poate doborî animale mari. Rezultatul a fost o creștere mare a megafaunei șchioape și bolnave.
Până în anii 1990, guvernul federal și-a schimbat părerea despre lupi. Printr-o decizie controversată a U.S. Fish and Wildlife Service, lupii, importați din Canada, au fost aduși în parc. Un studiu efectuat în 2005 a arătat că existau 13 haite de lupi, totalizând 118 lupi în Yellowstone și 326 în întregul ecosistem.
Creșterea numărului de lupi în statele Wyoming, Montana și Idaho a fost atât de reușită încât aceștia nu mai sunt pe lista speciilor pe cale de dispariție.
Urșii
Aproximativ 600 de urși grizzly trăiesc în ecosistemul Greater Yellowstone, dintre care mai mult de jumătate în Yellowstone.
Elan
Există peste 30.000 de elani - cel mai mare număr de mamifere mari din Yellowstone. Turma nordică a devenit mult mai mică de la mijlocul anilor 1990. Acest lucru poate fi cauzat de lupi. De asemenea, elanii folosesc mai multe regiuni împădurite pentru a scăpa de lupi și fac mai dificilă numărarea lor de către cercetători. Turma nordică migrează spre vest în sud-vestul statului Montana în timpul iernii. Turma sudică migrează spre sud, iar majoritatea acestor elani își petrec iarna în National Elk Refuge, la sud-est de Parcul Național Grand Teton. Migrația turmei sudice este cea mai mare migrație a mamiferelor din SUA în afara Alaskăi.
Alți prădători
În 2003, urmele unei femele de râs și ale puiului ei au fost reperate și urmărite pe o distanță de peste 3,2 kilometri. Materialul fecal și alte probe obținute au fost testate și s-a confirmat că sunt cele ale unui linx. Cu toate acestea, nimeni nu a văzut cu adevărat un linx. Din 1998 nu au mai fost văzuți lincși în Yellowstone, deși ADN-ul prelevat din mostre de păr a arătat că lincșii au fost cel puțin în trecere prin parc. Alte mamifere care sunt văzute mai rar sunt leul de munte și ghiocelul. În parc există aproximativ 25 de lei de munte. Oamenii nu știu câți ghiocei există.
Yellowstone găzduiește, de asemenea, șase specii de reptile, cum ar fi broasca țestoasă pictată și șarpele cu clopoței din preerie, și patru specii de amfibieni, inclusiv broasca corală boreală.
Pește
Optsprezece specii de pești trăiesc în Yellowstone, inclusiv păstrăvul de Yellowstone. Acest pește este foarte căutat de pescari, iar cei mai mulți dintre ei trăiesc în Yellowstone. Păstrăvul cutthroat din Yellowstone s-a confruntat cu mai multe amenințări începând cu anii 1980, inclusiv cu introducerea ilegală suspectată în lacul Yellowstone a păstrăvului de lac, o specie invazivă care mănâncă păstrăvul cutthroat mai mic. Păstrăvul cutthroat s-a confruntat, de asemenea, cu o secetă continuă, precum și cu introducerea accidentală a unui parazit - boala de zbârnâit - care ucide peștii mai tineri. Din 2001, toate speciile de pești sportivi nativi capturați în cursurile de apă din Yellowstone fac obiectul unei legi privind capturarea și eliberarea.
Păsări
Au fost raportate 311 specii de păsări. Aproape jumătate dintre ele cuibăresc în Yellowstone. Din 1999, au fost documentate 26 de perechi de vulturi pleșuvi care cuibăresc. Au fost înregistrate apariții extrem de rare de cocori de mare; se știe că doar trei dintre aceștia trăiesc în Munții Stâncoși, din cele 385 cunoscute la nivel mondial. Alte păsări, considerate specii de interes special din cauza rarității lor în Yellowstone, includ huhurezul comun, rața arlechin, vulturul pescăresc, șoimul pelerin și lebăda trompetă.