Pinguine müssen unter Wasser tauchen, um ihre Nahrung im Meer zu fangen. Pinguine brauchen jedoch Sauerstoff, um unter Wasser zu atmen. Bei den meisten Pinguinarten dauert der durchschnittliche Unterwassertauchgang 6 Minuten, da sich die meisten ihrer Beute in den oberen Wasserschichten aufhalten. Der Kaiserpinguin ernährt sich jedoch von Tintenfischen, Fischen oder Krill, die tief unter Wasser leben, sodass diese Pinguinart bis zu 20 Minuten den Atem anhalten kann. Kaiserpinguine sind auch dafür bekannt, bis zu 1.800 Fuß tief zu tauchen, um ihre Beute zu finden. Eine andere Art, der Gentoo, ist dafür bekannt, bis zu 150 Meter tief zu tauchen. Im Gegensatz zu Robben sind Pinguine relativ klein, sodass ihre Lungen nur eine begrenzte Menge Sauerstoff aufnehmen können. Auch die Unterwasserkompression wirkt sich auf die Lunge und die Luftsäcke der Pinguine aus. Diese entscheidenden Atemwege können nur 1/3 des für jeden Tauchgang benötigten Sauerstoffs liefern.
Untersuchungen an wilden Pinguinen in der Antarktis zeigen einige überraschende Anpassungen im Blut und Muskelgewebe des Pinguins, um den Sauerstoff während eines Unterwassertauchgangs zu erhöhen. Diese Pinguine wurden mit speziellen Sensoren ausgestattet, um ihren Luftstand zu überwachen. Im Gegensatz zum Menschen ermöglicht das hochempfindliche Hämoglobin, das in den roten Blutkörperchen der Pinguine vorhanden ist, den Pinguinen, jedes letzte Sauerstoffmolekül in ihrem System zum Tauchen effektiv zu nutzen. Das Blut wird hauptsächlich zum Herzen, zum Gehirn und zu anderen wichtigen Organen geleitet. Pinguin-Hämoglobin ist so wirksam, dass Pinguine weiter tauchen können, wenn andere Tiere schwere Gewebeschäden erleiden würden. Darüber hinaus hilft das Muskelgewebe des Pinguins auch, unter Wasser effizient zu atmen. Das Muskelgewebe eines Pinguins kann auch zusätzlichen Sauerstoff speichern, indem es große Mengen des Blutproteins Myoglobin verwendet. Außerdem ermöglicht ein spezielles Enzym den Muskeln des Pinguins, ohne Sauerstoff zu arbeiten und gleichzeitig die Ansammlung von Milchsäure zu neutralisieren. Wenn die Pinguine die Oberfläche erreichen und zur normalen Atmung zurückkehren, können sie diese Ansammlung von Milchsäure ausstoßen. Um weiter Sauerstoff zu sparen, können Pinguine ihre Herzfrequenz auf fünf Schläge pro Minute senken. Durch den geringeren Energieverbrauch können diese Vögel ihre Tauchzeit unter Wasser verlängern.
Pinguine schwimmen am effizientesten in tieferen Wasserständen, aber manchmal kann es notwendig sein, an der Wasseroberfläche zu schwimmen. Einige Pinguinarten verwenden eine Atem- und Schwimmtechnik namens Schweinswal, benannt nach Schweinswalen und Delfinen. Die Vögel kommen hoch, um Luft zu holen, dann atmen sie schnell ein und aus. Dann beginnen sie zu atmen, ohne ihre Vorwärtsbewegung zu unterbrechen. Sie springen in und aus dem Wasser. Die Pinguine können beim Schweinswal eine Geschwindigkeit von bis zu 10 km/h halten. Diese Schweinswal-Technik wird jedoch normalerweise nicht bei Königs- oder Kaiserpinguinen beobachtet.
