黄石公园的气候在很大程度上受到其海拔高度的影响，其中海拔较低的地区一年四季都很温暖，最高温度纪录为2002年时达到过37°C，而最低温度纪录则是1933年的-54°C。 6-9月是这里的夏季，其日间最高温度通常为21°C至27°C之前，但夜间最低温度则有可能会在0°C左右，特别是在海拔比较高的地方，此外午后还经常会出现雷暴天气。春秋两季白天的温度范围在-1°C至16°C，而寒冷的夜晚则有可能降至−5°C至−20°C。冬天的黄石公园非常寒冷，整个季节的日间气温通常在−20°C至−5°C之间，夜间则将低至−20°C以下。
黄石公园的降水非常复杂多变，降水量从猛犸温泉附近的每年380毫米到公园西南部的2,000毫米。这里的降水很大程度上是受到西部蛇河平原（英语：Snake River Plain）的湿润气流影响，而这反过来也正是由黄石本身形成的。这里一年中每个月都可能会下雪，每年在黄石湖周围平均会有3,800毫米的降雪量，海拔较高的地区更可达到这一数值的两倍。
黄石公园内很少会有龙卷风，不过1987年7月21日，怀俄明州有纪录以来最强烈的一场龙卷风通过布里杰-提顿国家森林（英语：Bridger-Teton National Forest）的提顿荒野（英语：Teton Wilderness）袭击了黄石国家公园，史称提顿-黄石龙卷风（英语：Teton–Yellowstone tornado），这场龙卷风为F4级，风速达333至420千米每小时，其经过之地留下了一条长39千米，宽1.6到3.2千米的毁灭之路，并将6,100公顷的成熟松林夷为平地。
自然资源
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动物资源
美洲野牛
美洲野牛(11张)
黄石公园还是个野生动物保护区，栖息着北美野牛、灰狼、棕熊、驼鹿、麋鹿、巨角岩羊、羚羊、羚牛等野生动物。黄石公园以熊为其象征。园内大约有200多只黑熊，100多只灰熊，250多只狼。黄石国家公园内的另一景观就是黄石河，它由黄石峡谷汹涌而出，贯穿整个黄石公园到达蒙大拿州境内。黄石河将山脉切穿而创造了神奇的黄石大峡谷。在阳光下，两峡壁的颜色从橙黄过渡到橘红，仿佛是两条曲折的彩带。由于公园地势高，黄石河及其支流深深地切入峡谷，形成许多激瀑布，蔚为壮观。
黄石国家公园还是美国最大的野生动物庇护所和著名的野生动物园，这里有300多种野生动物（包括60多种哺乳动物）、18种鱼和225种鸟。灰熊、美洲狮、灰狼、金鹰、麋鹿、白尾鹿、美洲大角鹿、野牛、羚羊等2000多种动物在这里繁衍生息。
在黄石公园栖息的大型野生哺乳动物有（按照被游客观察到的容易程度排序）：
美洲野牛（Bison）：成年美洲野牛重达1000公斤以上，虽然大都很温顺，但是也是造成游客伤亡最多的动物。
马鹿（Elk）：成年马鹿重达300公斤。又译麋鹿、美洲大角鹿。雄鹿长分叉角，每年冬季角会脱落。雌鹿无角。
骡鹿（Mule Deer)
白尾鹿（Whitetail Deer）黑熊（Black Bear）
驼鹿（Moose）：又译北美麋。比马鹿稍小，雄鹿角分叉底部连成一片，像手掌。雌鹿无角。
郊狼（Coyote）：又译土狼、美洲野狗。
叉角羚（Pronghorn）：美洲奔跑最快的野生动物。
灰熊（Grizzly Beer）
大角羊（Bighorn Sheep）
灰狼（Wolf）：从前黄石公园的狼被杀光了。21世纪以来公园专门引进了狼群，来控制马鹿的数量。
植物资源
公园内原生有超过1700种树木和其它维管植物，另外有约170种被认为属于外来物种。其中记录了8种松柏类植物，所有树林面积中有80%是黑松林。其他针叶林如高山冷杉、英格曼云杉、落基山脉花旗松和白皮松都在整个公园内发现了零散的小树林。截止2007年，白皮松受到了一种真菌引起的疱锈病威胁，不过这一情况基本局限