Park se rozkládá v severozápadní části USA. Asi 96 % jeho území leží ve státě Wyoming, další 3 % v Montaně a zbývající 1 % v Idaho. Chráněná rezervace je součástí plošiny Yellowstone Plateau, jejíž průměrná nadmořská výška se pohybuje kolem 2 400 m. Téměř celý její okraj obklopují horské hřbety Middle Rocky Mountains s vrcholy dosahujícími 2700 – 3400 m n. m.
