Pingviner er nødt til at dykke under vand for at fange deres mad i havet. Pingviner har dog brug for ilt for at trække vejret under vand. For de fleste arter af pingviner varer det gennemsnitlige dyk under vand 6 minutter, da det meste af deres bytte ligger i de øverste vandniveauer. Imidlertid lever kejserpingvinen på blæksprutte, fisk eller krill, der ligger dybt under vand, så denne pingvinart kan holde vejret i op til 20 minutter. Kejserpingviner er også kendt for at dykke op til 1.800 fod for at finde deres bytte. En anden art, Gentoo, er kendt for at dykke op til 500 fod. I modsætning til sæler er pingviner relativt små, så deres lunger kan kun rumme så meget ilt. Også kompression under vand påvirker pingvinernes lunger og luftsække. Disse vigtige luftveje kan kun give 1/3 af det nødvendige ilt, der er nødvendigt til hvert dyk.
Forskning udført på vilde pingviner i Antarktis viser nogle overraskende tilpasninger i pingvinens blod og muskelvæv for at øge ilt under et dyk under vandet. Disse pingviner var udstyret med specielle sensorer til at overvåge deres luftniveau. I modsætning til mennesker tillader det ultrafølsomme hæmoglobin, der er til stede i pingvinenes røde blodlegemer, pingvinerne effektivt at bruge hvert sidste iltmolekyle i deres system til dykning. Blodet sendes hovedsageligt til hjertet, hjernen og andre større organer. Pingvinhæmoglobin er så effektiv, at pingviner kan fortsætte med at dykke, når andre dyr vil lide af alvorlig vævsskade. Derudover hjælper pingvinens muskelvæv den også med at trække vejret effektivt under vand. En pingvins muskelvæv kan også lagre yderligere ilt ved at bruge store mængder af blodproteinet myoglobin. Desuden tillader et specielt enzym pingvinens muskler at arbejde uden ilt, mens de neutraliserer mælkesyreopbygning. Når pingvinerne når overfladen og vender tilbage til normal vejrtrækning, kan de derefter udvise denne ophobning af mælkesyre. For yderligere at spare på iltforbruget kan pingviner sænke deres puls til fem slag pr. Minut. Ved at bruge mindre energi er disse fugle i stand til at forlænge deres tid med dykning under vand.
Pingviner svømmer mest effektivt i dybere vandniveauer, men nogle gange kan det være nødvendigt at svømme ved vandets overflade. Nogle arter af pingviner bruger en vejrtrækning og svømningsteknik kaldet marsvin, opkaldt efter marsvin og delfiner. Fuglene kommer op for luft, så indånder og udånder hurtigt. De begynder derefter at trække vejret uden at afbryde deres bevægelse fremad. De springer ind og ud af vandet. Pingvinerne kan opretholde en hastighed på op til 6 mph under marsvin. Denne marsvinteknik ses dog normalt ikke hos konge- eller kejserpingviner.
