Το Yellowstone θεωρείται ευρέως ότι έχει την καλύτερη μεγαπανίδα (πολύ μεγάλα ζώα) άγριας ζωής σε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες. Υπάρχουν σχεδόν 60 είδη θηλαστικών στο πάρκο, μεταξύ των οποίων ο γκρίζος λύκος, ο απειλούμενος λύγκας και οι αρκούδες γκρίζλι. Άλλα μεγάλα θηλαστικά είναι ο βίσωνας (βουβάλι), η μαύρη αρκούδα, η άλκη, η άλκη, το ελάφι μουλάρι, το ελάφιμε λευκή ουρά, η κατσίκα του βουνού, το προνγκχορν, το πρόβατο μπιγκχόρν και το λιοντάρι του βουνού.
Bison
Κάποτε οι βίσονες αριθμούσαν μεταξύ 30 και 60 εκατομμυρίων σε ολόκληρη τη Βόρεια Αμερική. Το Γέλοουστοουν είναι ένα από τα τελευταία τους προπύργια. Ο αριθμός τους αυξήθηκε από λιγότερους από 50 στο πάρκο το 1902 σε 4.000 μέχρι το 2003.
Ο μεγαλύτερος αριθμός βίσωνα στο πάρκο ήταν 4.900 το 2005. Παρά τον εκτιμώμενο αριθμό των 4.700 το καλοκαίρι του 2007, ο αριθμός μειώθηκε σε 3.000 το 2008. Αυτό συνέβη μετά από έναν σκληρό χειμώνα και μια αμφιλεγόμενη διαχείριση της βρουκέλλωσης, όταν εκατοντάδες εστάλησαν για σφαγή. Η Υπηρεσία Επιθεώρησης της Υγείας των Ζώων και των Φυτών (APHIS) έχει δηλώσει ότι με εμβολιασμούς και άλλα μέσα, η βρουκέλλωση μπορεί να εξαλειφθεί από τα κοπάδια βισώνων και ελάφων σε όλο το Yellowstone.
Λύκοι
Ξεκινώντας το 1914, το Κογκρέσο των ΗΠΑ χορήγησε κονδύλια για την "καταστροφή λύκων, λιβαδόσκυλων και άλλων ζώων που βλάπτουν τη γεωργία και την κτηνοτροφία" σε δημόσιες εκτάσεις. Αφού οι λύκοι εξαφανίστηκαν από το Yellowstone, το κογιότ έγινε το κορυφαίο κυνοειδές αρπακτικό του πάρκου. Ωστόσο, το κογιότ δεν μπορεί να ρίξει μεγάλα ζώα. Το αποτέλεσμα ήταν η μεγάλη αύξηση των κουτσών και άρρωστων μεγατόνων.
Μέχρι τη δεκαετία του 1990, η ομοσπονδιακή κυβέρνηση είχε αλλάξει γνώμη για τους λύκους. Με μια αμφιλεγόμενη απόφαση της Υπηρεσίας Αλιείας και Άγριας Ζωής των ΗΠΑ, λύκοι, εισαγόμενοι από τον Καναδά, εισήχθησαν στο πάρκο. Μια έρευνα που διεξήχθη το 2005 έδειξε ότι υπήρχαν 13 αγέλες λύκων, συνολικά 118 λύκοι στο Yellowstone και 326 σε ολόκληρο το οικοσύστημα.
Η αύξηση του αριθμού των λύκων στις πολιτείες Γουαϊόμινγκ, Μοντάνα και Άινταχο ήταν τόσο επιτυχής που δεν βρίσκονται πλέον στον κατάλογο των απειλούμενων ειδών.
Αρκούδες
Περίπου 600 αρκούδες γκρίζλι ζουν στο ευρύτερο οικοσύστημα Yellowstone, με περισσότερες από τις μισές να ζουν εντός του Yellowstone.
Elk
Υπάρχουν πάνω από 30.000 ελάφια - ο μεγαλύτερος αριθμός από όλα τα είδη μεγάλων θηλαστικών στο Yellowstone. Το βόρειο κοπάδι έχει γίνει πολύ μικρότερο από τα μέσα της δεκαετίας του 1990. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους λύκους. Επίσης, οι άλκες χρησιμοποιούν πιο δασώδεις περιοχές για να αποφύγουν τους λύκους και δυσκολεύουν τους ερευνητές να τις καταμετρήσουν. Το βόρειο κοπάδι μεταναστεύει δυτικά στη νοτιοδυτική Μοντάνα το χειμώνα. Το νότιο κοπάδι μεταναστεύει προς τα νότια, και η πλειονότητα αυτών των ελάφων περνά τον χειμώνα στο Εθνικό Καταφύγιο Ελάφων, νοτιοανατολικά του Εθνικού Πάρκου Grand Teton. Η μετανάστευση της νότιας αγέλης είναι η μεγαλύτερη μετανάστευση θηλαστικών στις ΗΠΑ εκτός της Αλάσκας.
Άλλα αρπακτικά
Το 2003, εντοπίστηκαν τα ίχνη ενός θηλυκού λύγκα και του νεογνού του και ακολουθήθηκαν για πάνω από 3,2 χιλιόμετρα. Τα κόπρανα και άλλα αποδεικτικά στοιχεία εξετάστηκαν και επιβεβαιώθηκε ότι ήταν ίχνη λύγκας. Ωστόσο, κανείς δεν είδε πραγματικά λύγκα. Λύγκες δεν έχουν παρατηρηθεί στο Yellowstone από το 1998, αν και το DNA που ελήφθη από δείγματα μαλλιών έδειξε ότι οι λύγκες περνούσαν τουλάχιστον από το πάρκο. Άλλα θηλαστικά που παρατηρούνται λιγότερο συχνά είναι το λιοντάρι του βουνού και ο αδηφάγος. Υπάρχουν περίπου 25 λιοντάρια του βουνού στο πάρκο. Οι άνθρωποι δεν γνωρίζουν πόσα αδηφάγα υπάρχουν.
Το Yellowstone φιλοξενεί επίσης έξι είδη ερπετών, όπως η ζωγραφισμένη χελώνα και ο κροταλίας των λιβαδιών, και τέσσερα είδη αμφίβιων, συμπεριλαμβανομένου του βατράχου του βόρειου χορού.
Ψάρια
Δεκαοκτώ είδη ψαριών ζουν στο Yellowstone, συμπεριλαμβανομένης της πέστροφας Yellowstone cutthroat. Αυτό το ψάρι είναι ιδιαίτερα περιζήτητο από τους ψαράδες και τα περισσότερα από αυτά ζουν στο Yellowstone. Η πέστροφα Yellowstone cutthroat αντιμετωπίζει διάφορες απειλές από τη δεκαετία του 1980, συμπεριλαμβανομένης της ύποπτης παράνομης εισαγωγής στη λίμνη Yellowstone πέστροφας λίμνης, ενός χωροκατακτητικού είδους που τρώει τη μικρότερη πέστροφα cutthroat. Η πέστροφα cutthroat έχει επίσης αντιμετωπίσει μια συνεχιζόμενη ξηρασία, καθώς και την τυχαία εισαγωγή ενός παρασίτου - της ασθένειας του σπειροειδούς που σκοτώνει τα νεότερα ψάρια. Από το 2001, όλα τα ιθαγενή είδη αθλητικών ψαριών που αλιεύονται στις υδάτινες οδούς του Γιέλοουστοουν υπόκεινται σε νόμο περί αλίευσης και απελευθέρωσης.
Πουλιά
Έχουν αναφερθεί 311 είδη πτηνών. Σχεδόν τα μισά από αυτά φωλιάζουν στο Yellowstone. Από το 1999, έχουν καταγραφεί είκοσι έξι ζευγάρια φαλακρών αετών που φωλιάζουν. Έχουν καταγραφεί εξαιρετικά σπάνιες εμφανίσεις γερανών- μόνο τρεις είναι γνωστό ότι ζουν στα Βραχώδη Όρη, από τους 385 γνωστούς παγκοσμίως. Άλλα πτηνά, που θεωρούνται είδη ειδικής ανησυχίας λόγω της σπανιότητάς τους στο Yellowstone, περιλαμβάνουν την κοινή λαγγόνα, την πάπια αρλεκίνος, το ψαρόνι, τον πετρίτη και τον κύκνο σάλπιγγα.