שטחו של הפארק הוא 8,987 קילומטרים רבועים, ונמצאים בו
אגמים, קניונים, נהרות ורכסי הרים. אגם ילוסטון הוא מהאגמים הגבוהים בצפון אמריקה. הוא נמצא במרכז קלדרת ילוסטון, שהיא הקלדרה הגדולה ביותר ביבשת אמריקה. לקלדרה יש היסטוריה של פעילות געשית, ובמהלך שני מיליוני השנים האחרונות היא התפרצה מספר פעמים בכוח רב. כמחצית מהאתרים הגאותרמיים של כדור הארץ נמצאים בילוסטון, בעיקר כתוצאה מפעילות געשית מתמשכת. זרמי לבה וגושי סלעים הנוצרים לאחר התפרצויות מכסים את רוב שטחו של ילוסטון. הפארק הוא מוקדה של המערכת האקולוגית ילוסטון רבתי, שהיא המערכת האקולוגית הגדולה ביותר ששרדה כמעט ללא שינוי בהמיספירה הצפונית הממוזגת.