Yellowstone jest najlepszym miejscem do życia dla dużych zwierząt, tzw. megafauny, w kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych.

W parku żyje 67 gatunków ssaków, w tym introdukowany ponownie w latach 90. wilk szary, zagrożony w USA - ryś kanadyjski i niedźwiedź grizzly. Znaczącą populację stanowią bizony amerykańskie, baribale, wapiti, łosie, mulaki, jelenie wirginijskie, muflony kanadyjskie, pumy, widłorogi i kozły śnieżne.