Богата фауна заповедника. В парке обитают чернохвостый олень, антилопа-вилорог. А также заяц, лиса, горностай, куница, красная белка. Благородный американский олень вапити так расплодился, что стал угрожать природе парка. И управление Йеллоустона вынуждено было начать отстрел оленей.
В северо-западной части парка обитают лоси. На горе Уошберн пасутся горные бараны. Утром или вечером на территории парка можно видеть древесного дикобраза. Есть несколько видов змей. В степной зоне парка живут сурки, бурундуки, суслики, другие грызуны. У озер — поселения бобров.
Особо стоит сказать о бизонах. Чтобы сохранить этих животных хотя бы в парке, правительство США дало указание выпустить в национальный парк 20 бизонов (сейчас стадо бизонов насчитывает несколько сотен голов).
Из хищников в Йеллоустоне обитают медведь (черный и гризли), пума, рысь, росомаха, койот. Волка здесь давно уже нет.
Черные медведи и гризли встречаются повсюду: на дорогах, возле кемпингов. Здесь появилась даже особая группа медведей, которая может существовать только за счет человека. Кормить животных посетителям парка не разрешается, но туристы иногда нарушают это правило. Поэтому в парке не так уж редки случаи нападения медведей на человека (за десятилетие произошло 40 таких инцидентов, при этом каждый четвертый из них заканчивался тяжелыми ранениями, а иногда и смертью). Если какой-нибудь из зверей проявляет постоянную агрессивность, его ловят и в сетке, подвешенной к вертолету, выдворяют из парка. А посетителей предупреждают:
Служба национальных парков США провела серию мероприятий в отношении медведей-попрошаек. А. Банников и В. Борисов в книге „Заповедными тропами зарубежных стран“ рассказывают:
Охота в парке запрещена. Браконьеры наказываются строго: 500 долларов — штраф, конфискация снасти, автомобиля, ружья. Однако перед зимой примерно половина оленей парка спускается с гор в долины. Вот тут их и ожидают охотники.
На территории заповедника встречаются белоголовый орлан (его изображение помещено на гербе США), беркут, сокол-сапсан, канадский журавль, лебедь-трубач, бывший на грани полного исчезновения, пеликан, журавль. Много водоплавающей птицы, причем больше всего уток. Постоянно встречаются канадские сойки, реже — воротничковые рябчики. Из мелких птичек обитают экзотичные западные танагры — ярко-желтые с красной головой, черными крыльями и хвостом, они любят сидеть у самой дороги. Нельзя не заметить сине-голубых дроздовых птиц. У рек селится американская оляпка. В северо-западной части парка можно встретить виргинского филина, бородатую неясыть и карликового сычика.