Los pingüinos necesitan sumergirse bajo el agua para atrapar su comida en el océano. Sin embargo, los pingüinos necesitan oxígeno para respirar bajo el agua. Para la mayoría de las especies de pingüinos, la inmersión bajo el agua promedio dura 6 minutos, ya que la mayoría de sus presas residen en los niveles superiores del agua. Sin embargo, el pingüino emperador se alimenta de calamares, peces o krill que residen en las profundidades del agua, por lo que esta especie de pingüino puede contener la respiración hasta 20 minutos. También se sabe que los pingüinos emperador se sumergen hasta 1.800 pies para encontrar a sus presas. Se sabe que otra especie, el Gentoo, se sumerge hasta 500 pies. A diferencia de las focas, los pingüinos son relativamente pequeños, por lo que sus pulmones solo pueden contener una cantidad limitada de oxígeno. Además, la compresión bajo el agua afecta los pulmones y los sacos de aire de los pingüinos. Estas vías respiratorias cruciales solo pueden proporcionar 1/3 del oxígeno necesario para cada inmersión.
La investigación realizada con pingüinos salvajes en la Antártida muestra algunas adaptaciones sorprendentes en la sangre y los tejidos musculares del pingüino para aumentar el oxígeno durante una inmersión bajo el agua. Estos pingüinos fueron equipados con sensores especiales para monitorear su nivel de aire. A diferencia de los humanos, la hemoglobina ultrasensible presente en los glóbulos rojos de los pingüinos les permite utilizar de manera efectiva hasta la última molécula de oxígeno en su sistema para bucear. La sangre se envía principalmente al corazón, el cerebro y otros órganos importantes. La hemoglobina de los pingüinos es tan eficaz que los pingüinos pueden seguir buceando cuando otros animales sufrirían daños graves en los tejidos. Además, los tejidos musculares del pingüino también le ayudan a respirar eficientemente bajo el agua. Los tejidos musculares de un pingüino también pueden almacenar oxígeno adicional mediante el uso de grandes cantidades de la proteína mioglobina de la sangre. Además, una enzima especial permite que los músculos del pingüino funcionen sin la presencia de oxígeno mientras neutraliza la acumulación de ácido láctico. Cuando los pingüinos llegan a la superficie y vuelven a respirar normalmente, pueden expulsar esta acumulación de ácido láctico. Para ahorrar aún más en el consumo de oxígeno, los pingüinos pueden reducir su frecuencia cardíaca a cinco latidos por minuto. Al usar menos energía, estas aves pueden prolongar el tiempo que pasan buceando bajo el agua.
Los pingüinos nadan de manera más eficiente en niveles de agua más profundos, pero a veces puede ser necesario nadar en la superficie del agua. Algunas especies de pingüinos utilizan una técnica de respiración y natación llamada marsopa, que lleva el nombre de marsopas y delfines. Los pájaros toman aire, luego inhalan y exhalan rápidamente. Luego comienzan a respirar sin interrumpir su movimiento hacia adelante. Saltan dentro y fuera del agua. Los pingüinos pueden mantener una velocidad de hasta 6 mph mientras marsopas. Sin embargo, esta técnica de marsopa no se suele ver en los pingüinos rey o emperador.