समुद्र में अपना भोजन पकड़ने के लिए पेंगुइन को पानी के नीचे गोता लगाने की आवश्यकता होती है। हालांकि, पेंगुइन को पानी के नीचे सांस लेने के लिए ऑक्सीजन की जरूरत होती है। पेंगुइन की अधिकांश प्रजातियों के लिए, औसत पानी के नीचे गोता 6 मिनट तक रहता है, क्योंकि उनके अधिकांश शिकार ऊपरी जल स्तरों में रहते हैं। हालांकि, सम्राट पेंगुइन स्क्वीड, मछली या क्रिल को खाते हैं जो पानी के नीचे गहरे रहते हैं, इसलिए पेंगुइन की यह प्रजाति 20 मिनट तक अपनी सांस रोक सकती है। सम्राट पेंगुइन अपने शिकार को खोजने के लिए 1,800 फीट तक गोता लगाने के लिए भी जाने जाते हैं। एक अन्य प्रजाति, जेंटू, 500 फीट तक गोता लगाने के लिए जानी जाती है। सील के विपरीत, पेंगुइन अपेक्षाकृत छोटे होते हैं, इसलिए उनके फेफड़े केवल इतनी ही ऑक्सीजन धारण कर सकते हैं। इसके अलावा, पानी के भीतर संपीड़न पेंगुइन के फेफड़ों और वायु थैली को प्रभावित करता है। ये महत्वपूर्ण वायुमार्ग प्रत्येक गोता के लिए आवश्यक आवश्यक ऑक्सीजन का केवल 1/3 प्रदान कर सकते हैं।
अंटार्कटिका में जंगली पेंगुइन पर किए गए शोध में पानी के भीतर गोता लगाने के दौरान ऑक्सीजन बढ़ाने के लिए पेंगुइन के रक्त और मांसपेशियों के ऊतकों में कुछ आश्चर्यजनक अनुकूलन दिखाए गए हैं। इन पेंगुइनों को उनके वायु स्तर की निगरानी के लिए विशेष सेंसर से सुसज्जित किया गया था। मनुष्यों के विपरीत, पेंगुइन की लाल रक्त कोशिकाओं में मौजूद अति-संवेदनशील हीमोग्लोबिन पेंगुइन को डाइविंग के लिए अपने सिस्टम में ऑक्सीजन के हर अंतिम अणु का प्रभावी ढंग से उपयोग करने की अनुमति देता है। रक्त मुख्य रूप से हृदय, मस्तिष्क और अन्य प्रमुख अंगों को भेजा जाता है। पेंगुइन हीमोग्लोबिन इतना प्रभावी है कि जब अन्य जानवर गंभीर ऊतक क्षति से पीड़ित होंगे तो पेंगुइन गोता लगाना जारी रख सकते हैं। इसके अलावा, पेंगुइन के मांसपेशी ऊतक भी पानी के नीचे कुशलता से सांस लेने में मदद करते हैं। एक पेंगुइन के मांसपेशी ऊतक भी बड़ी मात्रा में रक्त प्रोटीन मायोग्लोबिन का उपयोग करके अतिरिक्त ऑक्सीजन स्टोर कर सकते हैं। इसके अलावा, एक विशेष एंजाइम लैक्टिक एसिड बिल्डअप को निष्क्रिय करते हुए पेंगुइन की मांसपेशियों को ऑक्सीजन की उपस्थिति के बिना काम करने की अनुमति देता है। जब पेंगुइन सतह पर पहुंच जाते हैं और सामान्य श्वास पर लौट आते हैं, तो वे लैक्टिक एसिड के इस निर्माण को बाहर निकाल सकते हैं। ऑक्सीजन की खपत को और बचाने के लिए, पेंगुइन अपनी हृदय गति को पांच बीट प्रति मिनट तक कम कर सकते हैं। कम ऊर्जा का उपयोग करके, ये पक्षी पानी के नीचे गोता लगाने में अपना समय बढ़ाने में सक्षम होते हैं।
पेंगुइन गहरे जल स्तरों में सबसे अधिक कुशलता से तैरते हैं, लेकिन कभी-कभी पानी की सतह पर तैरना आवश्यक हो सकता है। पेंगुइन की कुछ प्रजातियाँ पोरपोइज़िंग नामक साँस लेने और तैरने की तकनीक का उपयोग करती हैं, जिसका नाम पोर्पोइज़ और डॉल्फ़िन के नाम पर रखा गया है। पक्षी हवा के लिए ऊपर आते हैं, फिर श्वास लेते हैं और तेजी से छोड़ते हैं। फिर वे अपनी गति को आगे बढ़ाए बिना सांस लेना शुरू कर देते हैं। वे पानी के अंदर और बाहर छलांग लगाते हैं। पोर्पोइज़िंग करते समय पेंगुइन 6 मील प्रति घंटे तक की गति बनाए रख सकते हैं। हालाँकि, यह पोरपोइज़िंग तकनीक आमतौर पर राजा या सम्राट पेंगुइन में नहीं देखी जाती है।