黃石國家公園地處素有號稱美洲脊梁的落基山脈中，位于美利堅中西部懷俄明州的西北角，并向西北方向延伸到愛達荷州和蒙大拿州，面積達九千平方公里，比美利堅的一些州的面積還要大。
黃石國家公園約96%的土地面積位于懷俄明州內。另外3%是在蒙大拿州，剩下的1%在愛達荷州，黃石公園空中從北到南有上百公里，從西到東九十公里，河流和湖泊占了土地面積的5%，其中最大的水體黃石湖占了三萬五千多公頃，黃石湖深達約一百二三十米和長達將近兩百公里的湖岸線，海拔兩千兩三百米的黃石湖是北美最大的高海拔湖泊，森林占了黃石公園八成的土地面積，剩下的大部分是草地。
黃石公園位于美利堅西部北落基山和中部落基山之間的熔巖高原上，北美大陸分水嶺沿黃石公園西南部斜著流過，這條分水嶺是一個分割太平洋和大西洋水流域的地形特征，黃石公園的三分之一面積位于分水嶺的西部，黃石河和蛇河的源頭互相離得很近，但卻在分水嶺的兩側，因此，蛇河的水流向太平洋，而黃石河的水則通過墨西哥灣流向大西洋。
黃石公園是在蛇河平原的東北端，蛇河平原是一個巨大的U弧形，由愛達荷州的博伊西山脈向外延伸出來的群山向西大約六七百公里，此種地形追溯到北美板塊在過去十幾億年的線路，因為北美板塊被板塊構造搬運而跨過一個不流動的地幔熱點，如今的黃石國家公園的地形是地殼下這個熱點最近的表現形式。
黃石公園坐落在平均海拔為兩千三四百米的黃石高原上，黃石高原幾乎四面八方都和海拔高達2700米至3400米變化的中落基山脈接壤，該公園最高點是鷹峰峰頂，高達三千五百米高，最低點是沿著里斯溪流，只有一千五百多米，黃石高原上最著名的絕頂是三千一百米高的沃什伯恩山。
黃石國家公園擁有世界上最大的石化林之一，很久以前，樹木被火山灰和土壤埋沒，之后這些埋沒的木材轉變成了礦物物質，也就是俗稱的煤炭，這些火山灰和其它火山巖屑被認為來自黃石公園本地，這主要是由于黃石公園確實是一座超級火山的一個巨大的破火山口，黃石公園里有至少五米高的瀑布將近三百座，最高的瀑布就是一百米高的黃石河下游的黃石瀑布。
黃石公園里有三個幽深的峽谷，它們通過那些延續了上百萬年的河流斜著穿過黃石高原的火山凝灰巖，劉易斯河向南流經劉易斯峽谷，而黃石河向北流過的行程已經雕刻了兩個色彩斑斕的峽谷黃石大峽谷和黃石黑峽谷。
公園自然景觀豐富多樣，園內最高峰為鷹峰，海拔高度為三千五百米，黃石公園內最大的湖是黃石湖，最大的河流是黃石河，此外，園內還有峽谷、瀑布、溫泉及間歇噴泉等，黃石公園被美利堅人自豪地稱為“地球上最獨一無二的神奇樂園”，園內交通方便，環山公路長達六百公里，將各景區的主要景點聯在一起，徒步路徑達一千六百公里。
黃石公園的火山口是北美最大的火山系統，它被稱為“超級火山”是因為這個破火山口是由特大爆炸性的噴發而形成的，如今的破火山口就是64萬年前發生的災難性噴發形成的，噴發釋放出了一千立方公里的火山灰，巖石和火成碎屑物質，形成了一個將近一公里深和八十乘五十公里寬區域的火山口，并沉積了熔巖溪流凝灰巖，最猛烈的火山噴發發生在兩百多萬年前，那次噴發噴射出兩千五百立方公里火山物質，產生了被稱為黑果木山脈凝灰巖的巖石形成并形成了島公園破火山口，一百多萬年前，一次更小的噴發噴射出了三百立方公里火山物質，形成了亨利的叉狀破火山口并沉積了梅薩瀑布凝灰巖。
六七十萬年以前，黃石破火山口幾乎塞滿了流紋熔巖的階段性噴發，諸如這樣的流紋熔巖可在黑曜石峭壁和食羊人峭壁看到的玄武巖熔巖中見到，熔巖地層是黃石公園的大峽谷中最容易看到的巖石，黃石河繼續雕刻著這些古老的熔巖流，大峽谷是一個典型的V形河谷，這表明了大峽谷是河道型侵蝕，而不是冰川引起的侵蝕。
黃石公園包含世界上最活躍的間歇噴泉諾里斯間歇泉盆地的蒸汽船間歇泉，黃石公園有三百個間歇噴泉，而且總的一起至少有1萬個地熱噴泉，一半地熱噴泉和全世界三分之二的間歇噴泉都集中在黃石公園里。
近二十年來，黃石公園的地質活動越發的活躍，誰也不知道它在哪一天就會爆發，而且一旦爆發，就會造成世界性的危險，就算是在大洋彼岸的華夏也同樣會，主要是黃石公園的火山爆發的時候噴射的火山灰會直接來到平流層，然后彌漫整個地球，會讓地球短暫的來到冬季，而這個寒冬誰也不知道誰持續幾年還是幾十年，要知道當年小行星撞擊地球的時候，可是造成了幾百年的寒冬，讓全世界的動植物都遭受到了極大地損失，也是有名的第五次生物大滅絕，而在那一次大名鼎鼎的恐龍消失了。
黃石公園每年都會經歷幾千次小地震，有歷史記載以來，那兒至少6級或6級以上的地震已經有了六次，包括正好侵襲了黃石公園西北邊界外邊的1959年發生的7.5級地震，也正是因為有這么多次的地震才讓所有的科學家都擔心，因為地質活動越發的頻繁，這不是什么好事情。