כ־96% משטח הפארק שוכן בוויומינג, 3% במונטנה ואחוז אחד באיידהו. אורך הפארק מצפון לדרום הוא 102 קילומטרים, ורוחבו עומד על 87 קילומטרים ממערב למזרח. שטחו של הפארק הוא 8,983 קילומטרים רבועים, והנהרות והאגמים מכסים 5% משטחו. הפארק שוכן על רמת ילוסטון בגובה ממוצע של 2,400 מטרים מעל פני הים. גבולות הרמה מותווים באופן כמעט בלעדי על ידי הרי הרוקי התיכונים, שגובהם נע בין 2,743 ל־3,352 מטרים. הנקודה הגבוהה ביותר בפארק היא פסגת הנשר (Eagle Peak) שגובהה 3,462 מטרים, והנמוכה ביותר היא לאורך ריז קריק (Reese Creek) בגובה 1,610 מטרים מעל פני הים. רכסי ההרים הסמוכים לפארק הם גאלאטין בצפון־מערב, ברטות' בצפון, רכס אבסארוקה במזרח, ורכס טיטון ורכס מדיסון בדרום־מערב ובמערב.
קו פרשת המים של אמריקה, המפריד בין אגני הניקוז של הנהרות הנשפכים לאוקיינוס השקט לאלו הנשפכים לאוקיינוס האטלנטי, חוצה באלכסון את החלק הדרום־מערבי של הפארק. מוצאי הנהרות ילוסטון וסנייק סמוכים זה לזה, אבל מפני שהם נמצאים משני צדדיו של קו פרשת המים, זורמים מימיו של הסנייק אל האוקיינוס השקט, ואלה של הנהר ילוסטון אל מפרץ מקסיקו באוקיינוס האטלנטי. גוף המים הגדול ביותר הוא אגם ילוסטון ששטחו 35,220 הקטאר, ועומקו המרבי הוא 122 מטרים. האגם נמצא בגובה 2,357 מטרים מעל פני הים, והוא האגם הגבוה ביותר באמריקה הצפונית. בפארק שני קניונים גדולים שנהרותיהם חותכים בטוף הגעשי של מישור ילוסטון מזה 640,000 שנים. נהר לואיס זורם דרך קניון לואיס בדרום הפארק, ואילו נהר ילוסטון עיצב בזרימתו את הקניון הגדול של ילוסטון.
80% משטח הפארק מכוסה ביער, ורוב השטח הנותר הוא ערבת דשא. אחד היערות המאובנים הגדולים בעולם שוכן בפארק, ובו עצים שנקברו לפני זמן רב על ידי אפר וקרקע, והפכו מעץ לחומרים מינרליים.
אקלים.
האקלים בילוסטון הוא אקלים ממוזג יבשתי. בחודשי הקיץ (יוני עד ספטמבר) הטמפרטורה נעה בין 20 ל־25°C, ואילו בשעות הלילה הטמפרטורה עשויה להגיע עד לאפס מעלות צלזיוס באזורים הגבוהים. בשעות אחר הצהריים בקיץ מתחוללות סופות רעמים רבות. טווח הטמפרטורות באביב ובסתיו הוא בין אפס ל־20°C, כאשר בלילה הטמפרטורה יכולה לרדת עד כדי 20°C-. החורף בילוסטון קר מאוד, וטווח הטמפרטורות הוא בין מינוס עשרים ל־5°C-, ובשעות הלילה משך רוב החורף, הטמפרטורה כמעט תמיד מתחת למינוס עשרים מעלות צלזיוס. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנמדדה במקום הייתה 37°C (1936), ואילו הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה הייתה 54°C- (1933).
כמות המשקעים בילוסטון נעה בין 380 מילימטרים במעיינות החמים במאמות', ל־2,000 מילימטרים בחלקים הדרום־מערביים של הפארק. כמות המשקעים בילוסטון מושפעת מערוץ הלחות שנוצר על ידי מישור הנהר סנייק במערב, כאשר הערוץ עצמו נוצר על ידי ילוסטון. שלג עשוי לרדת בכל אחד מחודשי השנה, והכמות הממוצעת היא 38 סנטימטרים באזור אגם ילוסטון, וכמעט כפול מכך באזורים הגבוהים.
בילוסטון כמעט ואין סופות טורנדו, אולם, ב־21 ביולי 1987 תועדה הסופה החזקה ביותר בוויומינג שפגעה גם בפארק. הטורנדו סווג ברמה F4 (רמה אחת מתחת לרמה הגבוהה ביותר), ומהירות הרוח נעה בין 207 ל־260 קמ"ש. הטורנדו הותיר אחריו נתיב הרס ברוחב 1.6 עד 3.2 קילומטרים ובאורך של 38 קילומטרים וגרם להרס של שטח המשתרע על־פני 60.7 קילומטרים רבועים.
גאולוגיה.
געשיות.
הפארק הלאומי ילוסטון שוכן בקצה הצפון־מזרחי של מישור הנהר סנייק. הקצה המערבי של המישור, שצורתו דמוית פרסה ארוכה המתפתלת בין ההרים, נמצא באזור העיר בויסי שבאיידהו, כ־600 קילומטרים מערבית לילוסטון. מישור זה משרטט את מסלול תנועתו של הלוח הצפון־אמריקאי ב־17 מיליון השנים האחרונות מעל נקודה חמה קבועה במעטפת כדור הארץ. הנוף הנוכחי של פארק ילוסטון הוא התוצאה המאוחרת ביותר של פעילות נקודה חמה זו מתחת לקרום כדור הארץ.
קלדרת ילוסטון היא המערכת הגעשית הגדולה ביותר באמריקה הצפונית, והיא מכונה "סופר הר־געש" כיוון שנוצרה בהתפרצויות עזות במיוחד. הקלדרה נוצרה כתוצאה מהתפרצות־על שהתרחשה לפני כ־640,000 שנים, ואשר בה נפלטו כ־1,000 קילומטרים מעוקבים של אפר געשי, סלעים וחומרים פירוקלסטיים אחרים. עוצמת התפרצות זו, בעלת מדד התפרצות געשית 8, הייתה גבוהה פי 1,000 מזו של הר סנט הלנס בשנת 1980. ההתפרצות יצרה קלדרה שאורכה 85 קילומטרים, רוחבה 45 קילומטרים ועומקה כקילומטר, ואת "טוף ערוץ הלבה" (Lava Creek Tuff) – תצורה של טוף מרותך. בהתפרצות האלימה ביותר הידועה, שהתרחשה לפני כ־2.1 מיליון שנים, נפלטו 2,450 קילומטרים מעוקבים של טפרה, ולאחר מכן נוצרה התצורה הידועה בשם "טוף רכס הקלברי" (Huckleberry Ridge Tuff). בהתפרצות קטנה יותר, שהתרחשה לפני 1.2 מיליון שנים, נפלטו לאוויר 280 קילומטרים מעוקבים של טפרה, ונוצרו קלדרת איילנד פארק וטוף מפלי מסה (Mesa Falls).
בכל אחת משלוש ההתפרצויות הגדולות נפלטו לאוויר כמויות נרחבות של אפר געשי שגרמו להחשכת רוב החלק המרכזי של אמריקה הצפונית, והאפר שקע במרחק של מאות קילומטרים ממוקד ההתפרצות. ייתכן כי כמות האפר והגזים הגעשיים שהשתחררה לאטמוספירה גרמה להשפעות ניכרות על דפוסי מזג האוויר העולמיים, והובילה להכחדת מינים רבים של בעלי חיים, בעיקר באמריקה הצפונית.
לפני 160,000 שנים התרחשה התפרצות קטנה יותר, ובה נוצרה קלדרה קטנה יחסית המכילה את ה"בוהן" המערבית של אגם ילוסטון. בתקופה שלאחר מכן התרחשו שני מחזורי התפרצות נוספים, כאשר האחרון הסתיים לפני כ־70,000 שנים, וכתוצאה מהן נקברה מרבית הקלדרה מתחת לקילוחי לבה עבים.
כל התפרצות היא למעשה חלק ממחזור התפרצויות המגיע לשיאו כאשר מתמוטט גגו של תא המאגמה, לאחר שהתרוקן. קריסה זו יוצרת שקע הנקרא "קלדרה", וגורמת לפליטת כמויות אדירות של חומר געשי דרך הבקיעים המקיפים אותה. פרק הזמן בין שלוש ההתפרצויות הגדולות האחרונות באזור ילוסטון נע בין 600,000 ל־900,000 שנים, ומכיוון שמספר ההתפרצויות הגדולות קטן מדי – לא ניתן לנבא באופן אמין מתי יתחדשו ההתפרצויות.
בתקופה שהחלה לפני 700,000 שנים והסתיימה לפני 630,000 שנים התמלאה קלדרת ילוסטון כמעט לגמרי בלבה ריוליטית, בה ניתן לחזות בצוק האובסידיאן, ובלבה בזלתית כגון זו שב"צוק אוכל הכבשים" (Sheepeaters Cliff). בקניון הגדול של ילוסטון ניתן לצפות בנקל בשכבות הלבה העתיקות השונות, כיוון שהנהר ילוסטון ממשיך לחתור בתוכן. הקניון הוא עמק V אופייני שנוצר כתוצאה מסחיפת נהרות.
הגייזר המפורסם ביותר בפארק הוא האולד פיית'פול שבאגן הגייזרים העליון; באגן הגייזרים נוריס שבפארק נמצא גייזר ספינת הקיטור, שהוא הגייזר הפעיל הגדול בעולם. בילוסטון יש 300 גייזרים וכ־10,000 אתרים גאותרמיים בסך הכל, המהווים כמחצית מהאתרים הגאותרמיים וכשני שלישים מהגייזרים בעולם.
ניטור.
במאי 2001 הקימו הסקר הגאולוגי של ארצות הברית, הנהלת הפארק ואוניברסיטת יוטה את המצפה הגעשי ילוסטון (Yellowstone Volcano Observatory או YVO), המנטר את התהליכים הגאולוגיים בשדה הגעשי של רמת ילוסטון.
בשנת 2003 נסגרו זמנית חלק משבילי הטיולים באגן הגייזרים נוריס עקב שינויים שהתחוללו בו. באגן נצפו פומורולות חדשות, ובחלק מהגייזרים חלה עלייה בטמפרטורת המים וברמת הפעילות. הטמפרטורה של חלק מהגייזרים הייתה כה גבוהה, עד כי הם הפכו לעמוד קיטור ומחזור ההתפרצות הופר. תופעות אלה התרחשו במקביל לפרסומו של מחקר רב־שנתי מטעם הסקר הגאולוגי של ארצות הברית, שמיפה את תחתית אגם ילוסטון ודיווח על כיפה טבעית עתיקה, שלא נשקפה ממנה סכנה מיידית להתפרצות געשית. ב־10 במרץ 2004 גילה ביולוג את פגריהם של 5 ביזונים שככל הנראה שאפו גזים גאותרמיים רעילים שנלכדו באגן הגייזרים נוריס על ידי אינוורסיה עונתית. זמן קצר לאחר מכן, באפריל 2004, נמדדה עלייה בפעילות הסייסמית האזורית. בשנת 2006 דווח כי כיפת אגם מאלארד וכיפת סור קריק (שני אזורים שידועים מזה זמן רב בשינויים משמעותיים בתנועת הקרקע שעליה הם נמצאים) התרוממו ב־4 עד 6 סנטימטרים בין אמצע 2004 לשלהי 2006. העלייה הקלה בגובה נמשכה בקצב מופחת החל משלהי 2007. אירועים אלה משכו תשומת לב תקשורתית רבה, אך מומחים הביעו את דעתם כי אין סיכון מוגבר להתפרצות געשית באזור בעתיד הקרוב.
סייסמולוגיה.