黄石公园被广泛认为拥有全美最优秀的巨型动物(非常大的动物)野生动物。公园内有近60种哺乳动物,包括灰狼、濒临灭绝的猞猁和灰熊。其他大型哺乳动物有野牛(水牛)、黑熊、麋鹿、驼鹿、骡鹿、白尾鹿、山羊、长角羊、大角羊和山狮。
野牛
野牛的数量曾经在整个北美地区达到3000万到6000万之间。黄石公园是它们最后的据点之一。它们的数量从1902年公园里不到50头增加到2003年的4000头。
公园内野牛的最高数量是2005年的4,900头。尽管2007年夏季估计有4 700头,但2008年下降到3 000头。那是在经历了严冬和有争议的布鲁氏菌病管理之后,当时有数百头野牛被送去屠宰。动植物卫生检验局(APHIS)表示,通过接种疫苗和其他手段,可以从整个黄石公园的野牛和麋鹿群中消除布鲁氏菌病。
狼队
从1914年开始,美国国会给予资金,用于在公共土地上"消灭狼、草原犬和其他对农业和畜牧业有害的动物"。狼从黄石公园消失后,小狼成了公园的头号犬类捕食者。但是,小狼无法将大型动物击倒。结果是瘸腿和生病的巨型动物大增。
到了20世纪90年代,联邦政府改变了对狼的看法。在美国鱼类和野生动物管理局的一项有争议的决定中,从加拿大进口的狼被引入公园。2005年进行的一项调查显示,黄石公园内有13个狼群,共计118只狼,整个生态系统内有326只狼。
怀俄明州、蒙大拿州和爱达荷州狼群数量的增加非常成功,以至于它们不再被列入濒危物种名录。
熊
大约有600只灰熊生活在大黄石生态系统中,其中一半以上生活在黄石公园内。
麋鹿
黄石公园有超过30,000只麋鹿,是黄石公园所有大型哺乳动物中数量最多的。自20世纪90年代中期以来,北部的麋鹿群已经变得小了很多。这可能是由狼群造成的。另外,麋鹿利用更多的森林区域来躲避狼群,使研究人员更难统计它们的数量。北部鹿群在冬季向西迁徙到蒙大拿州西南部。南部鹿群向南迁徙,这些麋鹿大部分在大提顿国家公园东南的国家麋鹿保护区过冬。南部麋鹿群的迁徙是美国除阿拉斯加以外最大的哺乳动物迁徙。
其他掠食者
2003年,发现了一只雌性猞猁及其幼崽的踪迹,并跟踪了2英里(3.2公里)。粪便材料和获得的其他证据经检验后证实是一只猞猁的足迹。然而,没有人真正看到猞猁。自1998年以来,黄石公园就再也没有看到过猞猁,不过从毛发样本中提取的DNA显示,猞猁至少是经过公园的。其他较少见到的哺乳动物是山狮和狼獾。公园里大约有25只山狮。人们不知道狼獾有多少只。
黄石公园也是6种爬行动物的家园,如彩绘龟和草原响尾蛇,以及4种两栖动物,包括北方合唱蛙。
鱼类
黄石公园里生活着18种鱼,其中包括黄石切腹鳟。这种鱼备受垂钓者的追捧,它们大多生活在黄石公园。自20世纪80年代以来,黄石切鲈鳟面临着一些威胁,包括涉嫌非法将湖鳟引入黄石湖,这是一种入侵物种,它们会吃掉较小的切鲈鳟。鳟鱼还面临着持续的干旱,以及意外引入一种寄生虫--旋涡病--会杀死幼鱼。自2001年起,所有在黄石公园水道中捕获的本地运动鱼种都要遵守捕放法。
鸟类
据报道,有311种鸟类。其中几乎一半在黄石公园筑巢。截至1999年,已记录到26对筑巢的秃鹰。极其罕见的黄鹤被记录在案;在全世界已知的385只黄鹤中,只有3只生活在落基山脉。其他鸟类由于在黄石公园的罕见而被认为是特别关注的物种,包括普通苍鹭、哈勒金鸭、鹗、游隼和三角天鹅。