Pingviinien on sukelettava veden alle saadakseen ruokansa meressä. Pingviinit tarvitsevat kuitenkin happea hengittääkseen veden alla. Useimmille pingviinilajeille keskimääräinen vedenalainen sukellus kestää 6 minuuttia, koska suurin osa heidän saalistaan sijaitsee ylemmissä vesitasoissa. Keisaripingviini ruokkii kuitenkin kalmaria, kalaa tai krilliä, joka asuu syvällä veden alla, joten tämä pingviinilaji voi pidättää hengitystään jopa 20 minuuttia. Keisaripingviinien tiedetään myös sukeltavan 1800 jalkaan saaliin löytämiseksi. Toinen laji, Gentoo, tiedetään sukeltavan jopa 500 jalkaan. Toisin kuin hylkeet, pingviinit ovat suhteellisen pieniä, joten heidän keuhkoihinsa mahtuu vain niin paljon happea. Vedenalainen puristus vaikuttaa myös pingviinien keuhkoihin ja ilmapusseihin. Nämä tärkeät hengitystiet voivat tuottaa vain 1/3 jokaisesta sukelluksesta tarvittavasta hapesta.
Etelämantereella luonnonvaraisilla pingviinillä tehty tutkimus osoittaa pingviinin veri- ja lihaskudoksissa yllättäviä mukautuksia hapen lisäämiseksi vedenalaisen sukelluksen aikana. Nämä pingviinit varustettiin erityisillä antureilla niiden ilmatason seuraamiseksi. Toisin kuin ihmiset, pingviinien punasoluissa oleva erittäin herkkä hemoglobiini antaa pingviinien käyttää tehokkaasti jokaisen järjestelmänsä viimeisen happimolekyylin sukellukseen. Veri lähetetään pääasiassa sydämeen, aivoihin ja muihin tärkeimpiin elimiin. Pingviinihemoglobiini on niin tehokasta, että pingviinit voivat jatkaa sukeltamista, kun muut eläimet kärsivät vakavista kudosvaurioista. Lisäksi pingviinin lihaskudokset auttavat sitä myös hengittämään tehokkaasti veden alla. Pingviinin lihaskudokset voivat myös varastoida ylimääräistä happea käyttämällä suuria määriä veriproteiinia myoglobiinia. Erityinen entsyymi antaa pingviinin lihasten toimia ilman happea ja neutraloi maitohapon kertymisen. Kun pingviinit saavuttavat pinnan ja palaavat normaaliin hengitykseen, he voivat sitten karkottaa tämän maitohappokerroksen. Säästääkseen edelleen hapenkulutusta pingviinit voivat laskea sykkeensä viiteen lyöntiin minuutissa. Käyttämällä vähemmän energiaa nämä linnut pystyvät pidentämään aikaa veden alla sukeltamiseen.
Pingviinit uivat tehokkaimmin syvemmässä vedessä, mutta joskus voi olla tarpeen uida veden pinnalla. Jotkut pingviinilajit käyttävät pyöriäisiksi kutsuttuja hengitys- ja uintitekniikoita, jotka on nimetty pyöriäisten ja delfiinien mukaan. Linnut tulevat ilmaan, hengittävät ja hengittävät nopeasti. Sitten he alkavat hengittää keskeyttämättä liikkumistaan eteenpäin. Ne hyppäävät sisään ja ulos vedestä. Pingviinit voivat ylläpitää jopa 6 mph nopeutta pyöriessään. Tätä pyöritystekniikkaa ei kuitenkaan yleensä havaita kuningas- tai keisaripingviineissä.
