Йеллоустоун находится на северо-восточном краю равнины реки Снейк, гигантской арки, вырезанной в горах, которая прослеживает путь Северо-Американской тектонической плиты через центр активности земной мантии за последние 17 миллионов лет. Современные пейзажи парка отражают последние проявления активности этого центра, расположенного тут совсем близко к поверхности земли под земной корой. Йеллоустоунская калдера — самая большая вулканическая система Северной Америки. Часто её называют «супервулканом», так как она образовалась в результате катастрофического извержения 640 тысяч лет назад. В парке прослеживаются также и следы двух других, более ранних извержений, оставивших после себя скальные образования из вулканического туфа. Все три извержения подняли огромное количество пыли, которое разнесло по всей Северной Америке. Остатки пыли были обнаружены в сотнях километров от парка. Предположительно, образовавшиеся пепел и газы поднялись в атмосферу и привели к изменению климата и исчезновению многих видов животных и растений, в основном в Северной Америке.
Ещё одно, относительно небольшое извержение, произошло 160 тысяч лет назад и привело к образованию небольшой кальдеры в западной части Йеллоустоунского озера. Два последующих вулканических цикла, последний из которых завершился 70 тысяч лет назад, привели к тому, что большая часть этой кальдеры оказалась погребенной под толстыми застывшими потоками лавы.
Извержения, начавшиеся 630 тысяч лет назад и происходившие постоянно, пока соответствующий период активности не закончился 70 тысяч лет назад, оставили множество следов на территории парка. Йеллоустоунскую кальдеру регулярно заливали потоки лавы: остатки риолитовой лавы можно видеть на Обсидиановых скалах (англ. Obsidian Cliffs), остатки базальтовой лавы — на скалах Шипитерс (англ. Sheepeaters Cliffs). Слои лавы лучше всего заметны на склонах каньона реки Йеллоустоун. Резкий профиль каньона ясно указывает, что он был проложен рекой, вынужденной размывать слои лавы, а не ледником.
На территории парка находятся около трёх тысяч гейзеров, что составляет две трети всех гейзеров в мире. Среди них — самый большой в мире гейзер Пароход (англ. Steamboat Geyser), а также один из самых известных — гейзер Старый служака (англ. Old Faithful Geyser), выбрасывающий струи горячей воды на высоту более сорока метров с интервалом от 45 до 125 минут однако преимущественно извержения происходят с интервалом в 90 минут[4] именно благодаря своей предсказуемости гейзер и стал столь популярным. Кроме Йеллоустоуна, в мире существует всего четыре гейзерных поля — Долина гейзеров на Камчатке, а также поля в Исландии, Чили и Новой Зеландии. Кроме гейзеров, в парке находится около десяти тысяч разнообразных геотермальных источников, в том числе горячие и сероводородные источники, грязевые вулканы и множество других. Это половина всех геотермальных источников в мире. В мае 2001 года была создана Йеллоустоунская вулканическая обсерватория. В число её задач входит не только наблюдение за вулканической и геотермальной активностью, но и оценка возможной опасности, связанной с этой активностью.
Так, в 2003 году доступ туристов в бассейн гейзеров Норрис был ограничен, так как была зарегистрирована повышенная активность и более высокая температура воды по сравнению с обычной у некоторых гейзеров бассейна. Несколько гейзеров стали столь горячими, что испускали пар вместо воды. Одновременно исследования обнаружили неизвестный конус на дне Йеллоустоунского озера, который, впрочем, не представлял угрозы немедленного извержения. В 2004 году пять бизонов погибли от геотермальных газов в бассейне Норрис. В 2006 году было обнаружено, что почва сразу в двух местах в парке поднимается со скоростью 4-6 сантиметров в год. Это вызвало повышенный интерес средств массовой информации к вулканической и геотермальной активности в парке. Эксперты настаивают на том, что в ближайшее время нет повышенного риска извержения.
Каждый год в парке Йеллоустоун происходят тысячи мелких землетрясений. Почти все они незаметны для человека. В историческое время произошло по крайней мере шесть значительных землетрясений магнитуды 6 и выше, в том числе землетрясение магнитуды 7,5 с эпицентром чуть севернее границы парка в 1959 году. Это землетрясение привело к огромному оползню, частично разрушившему дамбу, защищавшую озеро Хебген (англ. Hebgen Lake). Осадочные породы, вынесенные оползнем, непосредственно ниже по течению перегородили реку и создали новое озеро, известное как Озеро Землетрясения (англ. Earthquake Lake). В результате землетрясения погибли 28 человек, началось извержение нескольких гейзеров в северо-западной части парка, образовались большие трещины в грунте, извергающие пар, некоторые горячие источники с чистой водой стали грязными. 30 июня 1975 года внутри парка произошло землетрясение магнитуды 6,1, но разрушения были незначительными. В течение трех месяцев в 1985 году было зарегистрировано около трех тысяч небольших землетрясений в северо-западной части парка, что, по всей видимости, было связано с опусканием Йеллоустоунской кальдеры. Более мелкие группы землетрясений регулярно происходят в парке, последний раз это было зафиксировано в апреле-мае 2007 года (16 землетрясений магнитудой до 2,7).
