Yellowstone wordt overal in de Verenigde Staten gezien als de beste megafauna (zeer grote dieren) in het wild. Er zijn bijna 60 soorten zoogdieren in het park, waaronder de grijze wolf, de bedreigde lynx en grizzlyberen. Andere grote zoogdieren zijn de bizon (buffel), zwarte beer, eland, eland, muilezelhert, witstaarthert, berggeit, pronghorn, dwergschaap en bergleeuw.
Bison
Bison heeft ooit tussen de 30 en 60 miljoen in heel Noord-Amerika geteld. Yellowstone is een van hun laatste bolwerken. Hun aantal was gestegen van minder dan 50 in het park in 1902 tot 4.000 in 2003.
Het hoogste aantal bizons in het park was 4.900, in 2005. Ondanks een geschat aantal van 4.700 in de zomer van 2007, daalde het aantal tot 3.000 in 2008. Dat was na een strenge winter en een controversieel brucellosebeheer toen er honderden naar de slacht werden gestuurd. De Inspectiedienst voor de Dier- en plantengezondheid (APHIS) heeft verklaard dat met vaccinaties en andere middelen brucellose uit de bizons en elandenkuddes in heel Yellowstone kan worden geëlimineerd.
Wolven
Vanaf 1914 gaf het Amerikaanse Congres fondsen voor de "vernietiging van wolven, prairiehonden en andere dieren die schadelijk zijn voor de landbouw en veeteelt" op openbare terreinen. Nadat de wolven uit Yellowstone waren verdwenen, werd de coyote het tophondenroofdier van het park. De coyote kan echter geen grote dieren neerhalen. Het resultaat was een grote toename van kreupele en zieke megafauna.
In de jaren negentig van de vorige eeuw was de federale regering van mening veranderd over wolven. In een controversieel besluit van de Amerikaanse Fish and Wildlife Service werden wolven, geïmporteerd uit Canada, in het park gebracht. Uit een onderzoek in 2005 bleek dat er 13 wolvenverpakkingen waren, met in totaal 118 wolven in Yellowstone en 326 in het hele ecosysteem.
De toename van het aantal wolven in de staten Wyoming, Montana en Idaho is zo succesvol geweest dat ze niet meer op de lijst van bedreigde diersoorten staan.
Beren
Ongeveer 600 grizzlyberen leven in het Greater Yellowstone Ecosysteem, waarvan meer dan de helft in Yellowstone leeft.
Elk
Er zijn meer dan 30.000 elanden - het grootste aantal van alle grote zoogdiersoorten in Yellowstone. De noordelijke kudde is sinds het midden van de jaren negentig veel kleiner geworden. Dit kan worden veroorzaakt door wolven. Ook gebruiken elanden meer beboste gebieden om de wolven te ontwijken, en maken ze het moeilijker voor onderzoekers om ze te tellen. De noordelijke kudde trekt in de winter naar het westen, naar het zuidwesten van Montana. De zuidelijke kudde trekt naar het zuiden, en de meerderheid van deze elanden overwinteren in de National Elk Refuge, ten zuidoosten van Grand Teton National Park. De zuidelijke kudde trek is de grootste migratie van zoogdieren in de VS buiten Alaska.
Andere roofdieren
In 2003 werden de sporen van een vrouwelijke lynx en haar welp gespot en gevolgd gedurende meer dan 2 mijl (3,2 kilometer). Fecaal materiaal en andere verkregen bewijzen werden getest en bevestigd als zijnde die van een lynx. Niemand heeft echter daadwerkelijk een lynx gezien. Lynxen zijn sinds 1998 niet meer gezien in Yellowstone, hoewel uit DNA van haarmonsters bleek dat de lynxen in ieder geval door het park gingen. Andere zoogdieren die minder vaak worden gezien zijn de bergleeuw en de veelvraat. Er zijn ongeveer 25 bergleeuwen in het park. Mensen weten niet hoeveel veel veelvraten er zijn.
Yellowstone herbergt ook zes soorten reptielen, zoals de geschilderde schildpad en prairie ratelslang, en vier soorten amfibieën, waaronder de boreale koorkikker.
Vis
In Yellowstone leven achttien vissoorten, waaronder de Yellowstone moordenaarsforel. Deze vis is zeer gewild bij vissers, en de meeste van hen leven in Yellowstone. De Yellowstone moordenaarsforel wordt sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw met verschillende bedreigingen geconfronteerd, waaronder de vermoedelijke illegale introductie van meerforel in Yellowstone, een invasieve soort die de kleinere moordenaarsforel eet. De moordenaarsforel heeft ook te maken gehad met een aanhoudende droogte, evenals de toevallige introductie van een parasitaire wervelende ziekte, die jongere vissen doodt. Sinds 2001 zijn alle inheemse sportvissoorten die in de wateren van Yellowstone worden gevangen, onderworpen aan een wet op de vangst en het uitzetten van vis.
Vogels
Er zijn 311 soorten vogels gemeld. Bijna de helft van hen nestelt in Yellowstone. Vanaf 1999 zijn zesentwintig paar nestelende zeearenden gedocumenteerd. Uiterst zeldzame waarnemingen van gierende kraanvogels zijn geregistreerd; van de 385 wereldwijd bekende vogelsoorten zijn er slechts drie bekend die in de Rocky Mountains leven. Andere vogels, die vanwege hun zeldzaamheid in Yellowstone als bijzondere zorgwekkend worden beschouwd, zijn de gewone zwerver, de harlekijneend, de visarend, de slechtvalk en de trompetvogelzwaan.