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黄石国家公园约96%的陆地面积位于怀俄明州境内，另外3%在蒙大拿州，1%在爱达荷州。从北到南距离有101千米，从东到西则爲87千米，整个公园面积爲898，317公顷[1]，比罗得岛州或特拉华州都要大。公园内5%的面积爲河流和湖泊，其中最大的黄石湖有35，220公顷。黄石湖最深处有120米，湖岸线长180千米，海拔高度约爲2，357米，是整个北美高海拔地区最大的湖。公园中80%的陆地面积是森林，其余大部分是草原。
北美大陆分水岭斜穿过公园的西南地区，这个分水岭分隔了太平洋和大西洋间的水汽流通。公园约三分之一的部分位于分水岭西部，黄石和蛇河的源头虽然距离上很近但正好是在分水岭的两边。因此蛇河的水汽就向太平洋方向飘移，而黄石则经墨西哥湾飘向大西洋。
公园位于黄石高原之上，平均海拔2，400米。该高原几乎以整条中落基山脉爲界，海拔范围从2，700米到3，400米。公园内的最高点是鹰峰（海拔3，462米），最低点则是瑞斯河沿线（海拔1，610米）。附近的其它山脉包括西北部的加拉廷山脉，北方的贝尔图斯山脉 ，东部的阿柏萨罗山脉、东南方向的提顿山脉和西部的麦迪逊山脉。整个黄石高原上最显眼的是海拔3，122米的沃什伯恩山。
黄石国家公园拥有世界上最大的石化森林之一，树木很久以前就被火山灰埋入地下并逐渐转化成矿物材料。这些火山灰和其他火山碎屑被认爲是来自于园区本身。因爲黄石实际上是一个超级火山的巨大陷落火山口。公园内有290个高度在4.6米以上的瀑布，其中最高的是94米的黄石瀑布。
公园内还有3个幽深的峡谷，他们是由过去64万年间河流冲刷黄石高原上的火山凝灰岩而形成。其中刘易斯河冲刷出了南部的刘易斯峡谷，黄石河则冲刷出了黄石大峡谷和北方的布莱克峡谷。
