A pingvineknek víz alá kell merülniük, hogy az óceánban elkaphassák ételeiket. A pingvineknek azonban oxigénre van szükségük a víz alatti lélegzéshez. A legtöbb pingvinfaj esetében az átlagos víz alatti merülés 6 percig tart, mivel zsákmányuk nagy része a felső vízszintekben található. Azonban a császár pingvin tintahalból, halból vagy krillből táplálkozik, amelyek mélyen a víz alatt laknak, így ez a pingvinfaj akár 20 percig is visszatarthatja a lélegzetét. A császárpingvinekről ismert, hogy akár 1800 méterig is elmerülnek, hogy megtalálják a zsákmányukat. Egy másik faj, a Gentoo, köztudottan akár 500 méterig is merül. A fókákkal ellentétben a pingvinek viszonylag kicsiek, így a tüdejük csak annyi oxigént képes befogadni. Ezenkívül a víz alatti tömörítés befolyásolja a pingvinek tüdejét és légzsákjait. Ezek a létfontosságú légutak csak az egyes merülésekhez szükséges oxigén 1/3-át képesek biztosítani.
Az Antarktiszon vadon élő pingvineken végzett kutatás néhány meglepő alkalmazkodást mutat a pingvin vérében és izomszöveteiben az oxigén növelése érdekében a víz alatti merülés során. Ezeket a pingvinek speciális érzékelőkkel voltak felszerelve, hogy ellenőrizzék a levegőjük szintjét. Az emberektől eltérően a pingvinek vörösvértestjeiben található ultraszenzitív hemoglobin lehetővé teszi, hogy a pingvinek a rendszerük utolsó utolsó oxigénmolekuláját hatékonyan hasznosítsák a búvárkodáshoz. A vért főleg a szívbe, az agyba és más főbb szervekbe küldik. A pingvin hemoglobin annyira hatékony, hogy a pingvinek folytathatják a merülést, amikor más állatok súlyos szövetkárosodást szenvednek. Ezenkívül a pingvin izomszövetei segítenek abban is, hogy hatékonyan lélegezzen a víz alatt. A pingvin izomszövetei további oxigént is képesek tárolni a vér fehérje myoglobinjának felhasználásával. Ezenkívül egy speciális enzim lehetővé teszi a pingvin izmainak oxigén jelenléte nélküli működését, miközben semlegesíti a tejsav felhalmozódását. Amikor a pingvinek eljutnak a felszínre és visszatérnek a normális légzéshez, ki tudják emelni a tejsav felhalmozódását. Az oxigénfogyasztás további megtakarítása érdekében a pingvinek percenként öt ütemre csökkenthetik pulzusukat. Kevesebb energia felhasználásával ezek a madarak képesek meghosszabbítani a víz alatti búvárkodás idejét.
A pingvinek a leghatékonyabban a mélyebb vízszintekben úsznak, de néha szükség lehet a víz felszínén úszni. Egyes pingvinek fajok a delfinekről és a delfinekről elnevezett, porózásnak nevezett légzési és úszási technikát alkalmazzák. A madarak levegőhöz jutnak, majd gyorsan belélegzik és kilélegzik. Ezután elkezdik lélegezni, anélkül, hogy megszakítanák az előre haladó mozgásukat. Ki-be ugranak a vízből. A pingvinek akár 6 km / h sebességet is képesek fenntartani a portyázás közben. Ezt a porózási technikát azonban általában nem a király vagy a császár pingvinek látják.