Yellowstone gilt weithin als der Ort mit der schönsten Megafauna (sehr große Tiere) in der Tierwelt in den gesamten Vereinigten Staaten. Es gibt fast 60 Arten von Säugetieren im Park, darunter der graue Wolf, der bedrohte Luchs und Grizzlybären. Andere große Säugetiere sind der Bison (Büffel), Schwarzbär, Elch, Elch, Maultierhirsch, Weißwedelhirsch, Bergziege, Pronghorn, Dickhornschaf und Berglöwe.
Bison
Bison zählte einst zwischen 30 und 60 Millionen in ganz Nordamerika. Yellowstone ist eine ihrer letzten Hochburgen. Ihre Zahl war von weniger als 50 im Park im Jahr 1902 auf 4.000 im Jahr 2003 angestiegen.
Die höchste Anzahl von Bisons im Park betrug 4.900 im Jahr 2005. Trotz einer geschätzten Sommerzahl von 4.700 im Jahr 2007 fiel die Zahl auf 3.000 im Jahr 2008. Das war nach einem strengen Winter und einem umstrittenen Brucellose-Management, als Hunderte zur Schlachtung geschickt wurden. Der Tier- und Pflanzengesundheitsinspektionsdienst (APHIS) hat erklärt, dass mit Impfungen und anderen Mitteln die Brucellose in den Bison- und Elchbeständen im gesamten Yellowstone beseitigt werden kann.
Wölfe
Ab 1914 stellte der US-Kongress Mittel für die "Vernichtung von Wölfen, Präriehunden und anderen Tieren, die der Landwirtschaft und Viehzucht schaden", auf öffentlichem Land zur Verfügung. Nachdem die Wölfe aus dem Yellowstone verschwunden waren, wurde der Kojote zum wichtigsten Raubtier des Parks. Allerdings kann der Kojote keine großen Tiere erlegen. Das Ergebnis war eine starke Zunahme der lahmen und kranken Megafauna.
In den 1990er Jahren hatte die Bundesregierung ihre Meinung über Wölfe geändert. In einer umstrittenen Entscheidung des U.S. Fish and Wildlife Service wurden Wölfe, die aus Kanada importiert worden waren, in den Park gebracht. Eine im Jahr 2005 durchgeführte Untersuchung ergab, dass es 13 Wolfsrudel gab, insgesamt 118 Wölfe im Yellowstone und 326 im gesamten Ökosystem.
Die Zunahme der Zahl der Wölfe in den Staaten Wyoming, Montana und Idaho war so erfolgreich, dass sie nicht mehr auf der Liste der gefährdeten Arten stehen.
Bären
Etwa 600 Grizzlybären leben im Greater Yellowstone-Ökosystem, mehr als die Hälfte davon innerhalb des Yellowstones.
Elch
Es gibt über 30.000 Elche - die größte Anzahl aller großen Säugetierarten im Yellowstone. Die nördliche Herde ist seit Mitte der 1990er Jahre deutlich kleiner geworden. Dies kann durch Wölfe verursacht werden. Außerdem nutzen die Elche mehr bewaldete Regionen, um den Wölfen auszuweichen, was es für die Forscher schwieriger macht, sie zu zählen. Die nördliche Herde wandert im Winter nach Westen in das südwestliche Montana. Die südliche Herde wandert südwärts, und die Mehrheit dieser Elche verbringt den Winter im Nationalen Elchschutzgebiet südöstlich des Grand Teton Nationalparks. Die südliche Herdenwanderung ist die größte Migration von Säugetieren in den USA außerhalb Alaskas.
Andere Raubtiere
Im Jahr 2003 wurden die Spuren eines weiblichen Luchses und seines Jungen entdeckt und über 3,2 Kilometer (2,2 Meilen) verfolgt. Kotmaterial und andere gewonnene Beweise wurden getestet und als die eines Luchses bestätigt. Niemand hat jedoch tatsächlich einen Luchs gesehen. Seit 1998 wurden im Yellowstone keine Luchse mehr gesehen, obwohl DNA aus Haarproben zeigte, dass zumindest Luchse durch den Park zogen. Andere Säugetiere, die weniger häufig gesehen werden, sind der Berglöwe und der Vielfraß. Es gibt etwa 25 Berglöwen im Park. Die Menschen wissen nicht, wie viele Vielfraße es sind.
Yellowstone ist auch die Heimat von sechs Reptilienarten, wie der Gemäldeschildkröte und der Prärieklapperschlange, sowie von vier Amphibienarten, darunter der boreale Chorusfrosch.
Fisch
Achtzehn Fischarten leben im Yellowstone, darunter die Yellowstone-Schnittforelle. Dieser Fisch ist bei Anglern sehr begehrt, und die meisten von ihnen leben im Yellowstone. Die Yellowstone-Schnittforelle war seit den 1980er Jahren mehreren Bedrohungen ausgesetzt, darunter der vermuteten illegalen Einschleppung der Seeforelle in den Yellowstone-See, einer invasiven Art, die die kleinere Forelle frisst. Die Cutthroat-Forelle war auch mit einer anhaltenden Dürre sowie mit der versehentlichen Einschleppung einer parasitären Wirbelkrankheit konfrontiert, die jüngere Fische tötet. Seit 2001 unterliegen alle einheimischen Sportfischarten, die in den Yellowstone-Gewässern gefangen werden, einem Fang- und Freigabegesetz.
Vögel
Es wurden 311 Vogelarten gemeldet. Fast die Hälfte von ihnen nistet im Yellowstone. Bis 1999 wurden sechsundzwanzig Paare nistender Weißkopfseeadler dokumentiert. Äußerst seltene Sichtungen von Keuchkranichen wurden registriert; nur drei von 385 weltweit bekannten Kranicharten leben in den Rocky Mountains. Andere Vögel, die aufgrund ihrer Seltenheit im Yellowstone als besonders besorgniserregend gelten, sind der Eistaucher, die Harlekin-Ente, der Fischadler, der Wanderfalke und der Trompeterschwan.