Bazan cột gần thác Tower; các trận ngập lụt lớn của bazan và các kiểu dung nham khác diễn ra trước sự phun trào khổng lồ của tro và đá bọt siêu nóng

Yellowstone là nơi kết thúc phía đông bắc của bình nguyên sông Snake, một vòng cung lớn hình chữ U qua các dãy núi trải rộng từ Boise, Idaho khoảng 640 km (400 dặm Anh) về phía tây. Đặc trưng này đi theo hành trình của mảng Bắc Mỹ trong suốt 17 triệu năm gần đây do nó bị chuyển vận bởi kiến tạo địa tầng ngang qua điểm nóng lớp phủ tĩnh. Cảnh quan của Vườn quốc gia Yellowstone ngày nay là biểu lộ gần đây nhất của điểm nóng này phía dưới lớp vỏ Trái Đất[8].

Các thềm cao của suối nước nóng Mammoth

Hõm chảo Yellowstone là hệ thống núi lửa lớn nhất tại Bắc Mỹ. Nó được gọi là "siêu núi lửa" do hõm chảo được hình thành từ các vụ phun trào nổ cực lớn. Hõm chảo hiện tại được tạo ra từ vụ phun trào biến cố địa chất diễn ra khoảng 640.000 năm trước, trong đó giải phóng 1.000 km³ (240 dặm khối Anh) tro, đá và các vật liệu đá mảnh nhiệt. Vụ phun trào này mãnh liệt hơn phun trào núi St. Helens 1980 tới 1.000 lần[9]. Nó tạo ra một miệng núi lửa sâu tới 1 km (0,62 dặm Anh) và kích thước 85 x 45 km (52 x 28 dặm Anh) và ngưng đọng thành Lava Creek Tuff, một thành hệ địa chất đá túp cố kết. Vụ phun trào mãnh liệt nhất đã biết, diễn ra khoảng 2,1 triệu năm trước, phun ra 2.450 km³ (588 dặm khối Anh) vật liệu tro núi lửa và tạo thành thành hệ đá gọi là Huckleberry Ridge Tuff và tạo ra hõm chảo Island Park[10]. Vụ phun trào nhỏ hơn phóng ra 280 km³ (67 dặm khối Anh) vật liệu khoảng 1,2 triệu năm trước, tạo thành hõm chảo Fork Henry và ngưng đọng thành Mesa Falls Tuff[9].

Đường đi bộ bằng gỗ cho phép du khách tới gần suối nước nóng Grand Prismatic.

Cả ba vụ phun trào cao đỉnh này đã giải phóng một lượng lớn tro và che phủ phần lớn miền trung Bắc Mỹ, với tro bụi rơi xuống cách xa đó hàng trăm dặm. Lượng tro bụi và khí giải phóng vào khí quyển có lẽ đã gây ra những tác động đáng kể tới các kiểu mẫu thời tiết thế giới và dẫn tới sự tuyệt chủng của nhiều loài, chủ yếu tại Bắc Mỹ[11].

Vụ phun trào cao đỉnh nhỏ hơn sau đó diễn ra khoảng 160.000 năm trước. Nó tạo thành một hõm chảo tương đối nhỏ, chứa West Thumb của hồ Yellowstone. Muộn hơn, hai chu kỳ phun trào nhỏ hơn, với vụ cuối cùng diễn ra khoảng 70.000 năm trước đã vùi lấp phần lớn hõm chảo dưới lớp dung nham dày[10].

Mỗi vụ phun trào trên thực tế là một phần của chu kỳ phun trào có cao đỉnh với sự sụp đổ của mái của khoang macma bị rút cạn một phần. Nó tạo ra miệng núi lửa, gọi là hõm chảo và giải phóng một lượng rất lớn vật liệu núi lửa, thường là thông qua những khe nứt bao quanh hõm chảo. THời gian giữa ba vụ phun trào biến cố địa chất gần đây nhất trong khu vực Yellowstone dao động trong khoảng 600.000 tới 900.000 năm, nhưng số lượng nhỏ như vậy của các vụ phun trào cao đỉnh không thể sử dụng để dự đoán các sự kiện núi lửa trong tương lai[12].

Các tia nắng hoàng hôn trong hơi nước tại Tổ hợp suối nước nóng Mammoth

Khoảng 630.000 tới 700.000 năm trước, hõm chảo Yellowstone đã gần như được nhồi đầy với các vụ phun trào có chu kỳ của các dung nham rhyolit như có thể thấy tại Obsidian Cliff, và các dung nham bazan như có thể thấy tại Sheepeater Cliff. Các địa tầng dung nham dễ dàng nhìn thấy nhất tại hẻm núi lớn (Grand Canyon) của Yellowstone, nơi sông Yellowstone vẫn đang tiếp tục đục vào trong các lớp dung nham cổ đại. Hẻm núi này là thung lũng chữ V kinh điển, chỉ ra rằng ở đây có sự xói mòn kiểu sông chứ không phải sự xói mòn kiểu sông băng.

Mạch nước phun nổi tiếng nhẩt trong vườn, và có lẽ của thế giới, là mạch nước phun Old Faithful, nằm tại Bồn địa Upper Geyser. Mạch nước phun Castle, mạch nước phun Lion và mạch nước phun Beehive nằm trong cùng một bồn địa. Vườn quốc gia chứa mạch nước phun hoạt động lớn nhất thế giới—Mạch nước phun Steamboat tại bồn địa Norris Geyser. Có khoảng 300 mạch nước phun tại Yellowstone và tổng cộng ít nhất 10.000 điểm đặc trưng địa nhiệt. Một nửa điểm đặc trưng địa nhiệt và hai phần ba mạch nước phun của thế giới tập trung tại Yellowstone[13].

Tháng 5 năm 2001, Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, Vườn quốc gia Yellowstone và Đại học Utah đã lập ra Đài quan sát núi lửa Yellowstone (YVO), một cơ quan để giám sát dài hạn các tiến trình địa chất của dải núi lửa trên cao nguyên Yellowstone, để phổ biến các thông tin liên quan tới các nguy hiểm rủi ro tiềm năng của khu vực có hoạt động địa chất mạnh này[14].

Mạch nước phun Old Faithful phun trào nước nóng khoảng sau mỗi 91 phút.

Năm 2003, các thay đổi trong bồn địa Norris Geyser đã làm người ta phải tạm thời đóng cửa một vài đường đi trong bồn địa. Các lỗ phun khí mới được ghi nhận và một vài mạch nước phun thể hiện sự gia tăng trong hoạt động với nhiệt độ nước tăng cao. Một vài mạch nước phun trở nên quá nóng đến mức chúng chuyển thành dạng chỉ phun hơi nước nóng do nước bị quá nhiệt và chúng không thể phun trào bình thường được nữa[15]. Điều này trùng khớp với báo cáo của dự án nghiên cứu lâu năm của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, trong đó người ta lập bản đồ đáy hồ Yellowstone và nhận dạng mái vòm cấu trúc đã bị đội lên trong quá khứ. Nghiên cứu chỉ ra rằng những phần đội lên này không gây ra mối đe dọa ngay lập tức về phun trào núi lửa, do chúng có thể đã phát triển rất lâu từ trước đó và không thấy có sự gia tăng nhiệt độ gần với các chỗ đội lên[16]. Ngày 10 tháng 3 năm 2004, một nhà sinh học phát hiện năm con bò rừng bizon bị chết dường như do bị hít phải khí địa nhiệt độc hại bị sót lại trong bồn địa Norris Geyser bởi sự đảo ngược khí quyển theo mùa. Nó gần trùng khớp với sự bột phát hoạt động địa chấn trong tháng 4 năm 2004[17]. Năm 2006, người ta thông báo rằng các khu vực mái vòm hồ Mallard và mái vòm lạch Sour— những khu vực người ta đã biết từ lâu là có các thay đổi đáng kể trong chuyển động trong lòng đất của chúng— đã trồi lên với tốc độ khoảng 4 tới 6 cm (1,5 tới 2,4 inch) mỗi năm từ giữa năm 2004 cho tới năm 2006[18]. Vào cuối năm 2007, sự trồi lên này vẫn tiếp tục với tốc độ đã giảm[19]. Các sự kiện này đã gây sự chú ý lớn từ các phương tiện thông tin đại chúng cũng như những đồn đoán về tương lai địa chất của khu vực. Các chuyên gia đã bác bỏ những đồn đoán bằng cách thông báo rằng không có rủi ro tăng cao về phun trào núi lửa trong tương lai gần[20].

Phun trào của mạch nước phun CastlePhun trào của mạch nước phun Castle năm 1874

Yellowstone trải qua hàng nghìn trận động đất nhỏ mỗi năm, dường như tất cả đều khó ghi nhận đối với con người. Tại đây có ít nhất 6 trận động đất với cường độ lớn hơn 6 hay lớn hơn trong quá khứ, bao gồm cả trận động đất cường độ 7,3-7,5 diễn ra với chấn tâm ngay bên ngoài ranh giới phía tây bắc vườn quốc gia vào ngày 17 tháng 8 năm 1959. Trận động đất này đã gây ra một trận lở đất lớn, gây ra sự sập đổ ngăn chặn một phần hồ Hebgen ngay phía dưới dòng chảy của đập Hebgen, trầm tích từ vụ lở đất đã chặn sông Madison và tạo ra một hồ mới phía trên đập, gọi là hồ Earthquake. Hai mưới tám người đã chết và các tổn thất về tài sản trong khu vực cận kề là rất lớn. Trận động đất đã làm cho một số mạch nước phun ở phía tây bắc vườn quốc gia phải phun trào, các vết nứt lớn trong lòng đất được hình thành và thoát hơi nước nóng, còn một số suối nước nóng thông thường có nước trong đã trở thành vẩn đục[21]. Một trận động đất cường độ 6,1 đã xảy ra trong vườn quốc gia vào ngày 3 tháng 6 năm 1975, nhưng tổn thất là không đáng kể. Trong ba tháng của năm 1985, khoảng 3.000 trận động đất nhỏ đã được máy móc ghi nhận tại phía tây bắc vườn quốc gia, làm hõm chảo Yellowstone lún xuống một chút[9]. Bắt đầu từ ngày 30 tháng 4 năm 2007, khoảng 16 trận động đất nhỏ có cường độ lên tới 2,7 đã diễn ra tại hõm chảo Yellowstone trong vài ngày. Những tập hợp nhiều trận động đất như vậy là phổ biến và từng có 70 tập hợp động đất như thế trong giai đoạn từ năm 1983 tới năm 2008[22]. Tháng 12 năm 2008, trên 250 trận động đất được ghi nhận trong vòng 4 ngày phía dưới hồ Yellowstone, trận mạnh nhất có cường độ 3,9[23]. Hoạt động địa chấn trong vườn quốc gia Yellowstone là liên tục và được Chương trình nguy hiểm động đất của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ghi nhận, báo cáo mỗi giờ[24].