Vườn quốc gia Yellowstone là trung tâm của 8.093.712 ha đất đai thuộc Hệ sinh thái Đại Yellowstone, một khu vực bao gồm cả Vườn quốc gia Grand Teton, rừng quốc gia Hoa Kỳ cận kề và các khu vực hoang vu rộng lớn trong các khu rừng này. Hệ sinh thái này là dải kéo dài liên tiếp còn sót lại lớn nhất của vùng đất cổ xưa chưa phát triển tại Hoa Kỳ ngoài Alaska và được coi là hệ sinh thái còn nguyên vẹn lớn nhất thế giới tại khu vực ôn đới Bắc bán cầu[25] (mặc dù khu vực này chủ yếu không phải là ôn đới mà là cận núi cao và toàn bộ vùng đất thuộc rừng quốc gia Hoa Kỳ bao quanh vườn quốc gia này không còn nguyên vẹn). Với sự thành công của chương trình tái du nhập chó sói bắt đầu từ thập niên 1990, dường như mọi loài động vật từng sinh sống trong khu vực này khi người da trắng lần đầu tiên đặt chân tới đây đều có thể lại được tìm thấy.

Quần thể thực vật

1.700 loài cây gỗ và các dạng thực vật có mạch khác là bản địa của vườn quốc gia. Khoảng 170 loài khác là loài xâm lấn không bản địa. Trong số 8 loài cây lá kim đã lập hồ sơ, các rừng thông Lodgepole che phủ 80% tổng số diện tích rừng[1]. Các loài cây lá kim khác, như linh sam cận núi cao, vân sam Engelmann, linh sam Douglas núi Rocky và thông vỏ trắng, được tìm thấy như là các lùm cay thưa thớt trong suốt cả vườn quốc gia. Vào năm 2007, thông vỏ trắng bị nấm gỉ sắt thông vỏ trắng đe dọa; tuy nhiên, nó chủ yếu diễn ra tại các khu rừng phía bắc và tây. Tại Yellowstone, khoảng 7% thông vỏ trắng bị nấm này gây hại, trong khi tại tây bắc Montana thì gần như toàn bộ thông vỏ trắng đều bị nấm gây hại[26]. Dương rung và liễu là các loài cây lá sớm rụng phổ biến nhất tại đây. Các rừng dương rung đã suy giảm đáng kể từ đầu thế kỷ 20, nhưng các nhà khoa học tại Đại học bang Oregon đã góp phần vào việc phục hồi dương rung bằng cách đưa chó sói trở lại đây để làm thay đổi thói quen gặm lá của nai sừng tấm bản địa[27].

Tại đây có vài chục loài thực vật có hoa đã được nhận dạng, phần lớn ra hoa trong khoảng tháng 5 tới tháng 9[28]. Cỏ roi ngựa cát Yellowstone là loài hiếm chỉ tìm thấy tại Yellowstone. Nó có quan hệ họ hàng gần với các loài sinh sống trong khu vực có khí hậu nóng hơn, làm cho nó trở thành kỳ dị tại đây. Khoảng 8.000 cụm loài hoa hiếm này sống tren các vùng đất cát ven bờ hồ Yellowstone, ngay phía trên mực nước[29].

Quần thể động vật

Tại Yellowstone có khoảng 60 loài động vật có vú, bao gồm cả loài nguy cấp là sói xám, các loài bị đe dọa như linh miêu và gấu xám Bắc Mỹ[1]. Các loài thú lớn khác còn có bò rừng bizon, gấu đen, sói đồng cỏ, nai sừng tấm, nai anxet, hươu đuôi đen, hươu la, dê núi Bắc Mỹ, linh dương sừng nhánh, cừu sừng to và báo sư tử.

Bắt đầu từ năm 1914, trong cố gắng nhằm bảo vệ quần thể nai sừng tấm, Quốc hội Hoa Kỳ đã cho lập quỹ để sử dụng vào mục đích "tiêu diệt chó sói, chó đồng cỏ và các động vật khác gây tổn hại cho nông nghiệp và gia súc" trên các vùng đất công. Các thợ săn của Vườn quốc gia đã thực hiện nhiệm vụ này và vào năm 1926 họ đã bắn giết 136 chó sói và dường như chó sói đã biến mất khỏi Yellowstone[30]. Sự tiêu diệt còn tiếp diễn tới năm 1935 khi Cục Vườn quốc gia chấm dứt hoạt động này. Với sự thông qua của Luật về loài nguy cấp năm 1973 thì chó sói là một trong số những loài động vật có vú được liệt kê đầu tiên[30]. Sau khi chó sói bị tiêu diệt khỏi Yellowstone thì chó sói đồng cỏ trở thành động vật ăn thịt hàng đầu. Tuy nhiên, do nó không thể hạ được những con thú lớn nên quần thú lớn trở nên què quặt và bệnh hoạn.

Vào thập niên 1990, Chính phủ liên bang đã thay đổi quan điểm về sói. Trong một quyết định gây mâu thuẫn của Cục Cá và Động vật hoang dã Hoa Kỳ, 66 con sói thung lũng Mackenzie, được nhập khẩu từ Canada, đã được du nhập vào vườn quốc gia này. Các cố gắng tái du nhập đã thành công với quần thể tương đối ổn định. Một khảo sát tiến hành năm 2005 thông báo họ phát hiện 13 bầy sói, tổng cộng 118 con tại Yellowstone và 326 trong toàn bộ hệ sinh thái.

Một vấn đề nhức nhối khác là có rất nhiều du khách đi tham quan trong vườn quốc gia Yellowstone đã bị gấu xám Bắc Mỹ tấn công. Nạn nhân bị gấu tấn công thường là khách đi bộ đường dài và gặp phải chúng trên đường. Đã có rất nhiều người bị gấu tấn công đến tử vong. Do gấu xám ở đây rất hung dữ nên vì thế vườn quốc gia phải nghiêm cấm du khách không được tiếp cận gấu, không được cho gấu ăn, khi đi bộ đường dài không được đi một mình, khi gặp gấu không được bỏ chạy và phải mang bình xịt hơi cay để tự vệ khi đi bộ trong rừng.