Yellowstone é amplamente visto como tendo a melhor megafauna (animais muito grandes) da vida selvagem em todos os Estados Unidos. Há quase 60 espécies de mamíferos no parque, incluindo o lobo cinza, o lince ameaçado e os ursos pardos. Outros grandes mamíferos são o bisonte (búfalo), urso negro, alce, alce, veado, veado decauda branca, cabra-montesa, pronghorn, ovelha chifre grande e leão da montanha.
Bisão
Os bisontes já foram contados entre 30 e 60 milhões em toda a América do Norte. Yellowstone é uma de suas últimas fortalezas. Seu número tinha aumentado de menos de 50 no parque em 1902 para 4.000 em 2003.
O maior número de bisontes no parque foi de 4.900, em 2005. Apesar de um número estimado de 4.700 no verão de 2007, o número caiu para 3.000 em 2008. Isso foi depois de um inverno rigoroso e um gerenciamento controverso da brucelose, quando centenas foram enviadas para abate. O Serviço de Inspeção Sanitária Animal e Vegetal (APHIS) declarou que com as vacinas e outros meios, a brucelose pode ser eliminada dos rebanhos de bisontes e alces em Yellowstone.
Lobos
A partir de 1914, o Congresso dos EUA deu fundos para "destruir lobos, cães da pradaria e outros animais prejudiciais à agricultura e à criação de animais" em terras públicas. Depois que os lobos deixaram Yellowstone, o coiote tornou-se o principal predador canino do parque. Entretanto, o coiote não pode abater animais de grande porte. O resultado foi um grande aumento de megafauna coxo e doente.
Nos anos 90, o governo federal havia mudado de idéia sobre os lobos. Em uma decisão controversa do U.S. Fish and Wildlife Service, os lobos, importados do Canadá, foram trazidos para o parque. Uma pesquisa realizada em 2005 mostrou que existiam 13 matilhas de lobos, totalizando 118 lobos em Yellowstone e 326 em todo o ecossistema.
O aumento do número de lobos nos estados de Wyoming, Montana e Idaho tem tido tanto sucesso que eles não estão mais na lista de espécies ameaçadas de extinção.
Rolamentos
Cerca de 600 ursos pardos vivem no Grande Ecossistema de Yellowstone, com mais da metade vivendo dentro de Yellowstone.
Alce
Existem mais de 30.000 alces - o maior número de quaisquer espécies de mamíferos de grande porte em Yellowstone. O rebanho do norte tornou-se muito menor desde meados da década de 1990. Isto pode ser causado por lobos. Além disso, os alces usam mais regiões florestadas para fugir dos lobos, e dificultam a contagem dos mesmos pelos pesquisadores. O rebanho do norte migra para o oeste para o sudoeste de Montana, no inverno. A manada do sul migra para o sul, e a maioria desses alces passa o inverno no Refúgio Nacional de Alces, a sudeste do Parque Nacional de Grand Teton. A migração da manada do sul é a maior migração de mamíferos nos Estados Unidos fora do Alasca.
Outros predadores
Em 2003, os rastros de um lince fêmea e sua cria foram avistados e seguidos por mais de 2 milhas (3,2 quilômetros). O material fecal e outras evidências obtidas foram testadas e confirmadas como sendo as de um lince. Ninguém realmente viu um lince, no entanto. O lince não é visto em Yellowstone desde 1998, embora o DNA retirado de amostras de cabelo tenha mostrado que o lince estava pelo menos passando pelo parque. Outros mamíferos que são vistos com menos freqüência são o leão da montanha e o lobisomem. Há cerca de 25 leões da montanha no parque. As pessoas não sabem quantos lobisomens existem.
Yellowstone é também o lar de seis espécies de répteis, tais como a tartaruga pintada e a cascavel da pradaria, e quatro espécies de anfíbios, incluindo o sapo coral boreal.
Peixes
Dezoito espécies de peixes vivem em Yellowstone, incluindo a truta-garganta cortada de Yellowstone. Este peixe é muito procurado pelos pescadores, e a maioria deles vive em Yellowstone. A truta-garganta cortadeira de Yellowstone enfrentou várias ameaças desde os anos 80, incluindo a suspeita de introdução ilegal no lago de Yellowstone da truta do lago, uma espécie invasora que come a truta cortadeira menor. A truta garganta cortada também enfrentou uma seca contínua, bem como a introdução acidental de uma doença parasitária, que mata peixes mais jovens. Desde 2001, todas as espécies de peixes esportivos nativos capturados nos cursos d'água de Yellowstone estão sujeitos a uma lei de captura e liberação.
Pássaros
311 espécies de aves foram relatadas. Quase a metade delas nidifica em Yellowstone. A partir de 1999, vinte e seis pares de águias carecas nidificadoras foram documentadas. Foram registrados avistamentos extremamente raros de grous que se encontram em ninho; apenas três são conhecidos por viverem nas Montanhas Rochosas, de um total de 385 conhecidos mundialmente. Outras aves, consideradas como espécies de especial preocupação devido à sua raridade em Yellowstone, incluem o lombo comum, o pato arlequim, a águia-pesqueira, o falcão peregrino e o cisne trompetista.