Der Madison River ist 294 km lang und entsteht aus dem Zusammenfluss von Firehole River und Gibbon River im Westen des Yellowstone-Nationalparks im Staate Wyoming. Der von Süden kommende Firehole River und der von Osten kommende Gibbon River vereinigen sich nördlich des Firehole Canyons nahe dem National Park Mountains zum Madison River. Von hier fließt er nach Westen und weitet sich noch innerhalb des Nationalparks etwa an der Staatsgrenze zu Montana im Madison Valley auf. Der Flusslauf am West-Eingang zum Park ist ein wichtiges Brutgebiet für Wasservögel wie verschiedene Limikolen und den Trompeterschwan.
Unterlauf des Madison River am Bear Calf Canyon
Er wird außerhalb des Parks unterhalb von West Yellowstone vom Hebgen Dam zum Hebgen Lake aufgestaut. Unterhalb des Stausees bildete sich nach einem Erdbeben 1959 ein natürlicher See namens Earthquake Lake. Der Madison River wendet sich etwa an dessen Ausfluss nach Norden und wird bei Ennis erneut vom Madison Dam zum Ennis Lake aufgestaut. Der Fluss verläuft weiter in nördlicher Richtung durch den Bear Calf Canyon, der als Teil der Lee Metcalf Wilderness ausgewiesen ist, einem Wilderness Area und damit die strengste Klasse von Naturschutzgebieten in den Vereinigten Staaten. Der Fluss ist hier auch ein beliebtes Wildwasser-Kajak-Revier. Sieben Kilometer nordöstlich der Ortschaft Three Forks bildet der Madison River im Missouri Headwaters State Park durch den Zusammenfluss mit dem Jefferson River den Missouri.
