Penguin perlu menyelam di bawah air untuk menangkap makanan mereka di laut. Namun, penguin membutuhkan oksigen untuk bernapas di bawah air. Untuk sebagian besar spesies penguin, penyelaman bawah air rata-rata berlangsung 6 menit, karena sebagian besar mangsanya berada di permukaan air atas. Namun, Penguin Kaisar memakan cumi-cumi, ikan, atau krill yang hidup jauh di bawah air, sehingga spesies penguin ini dapat menahan napas hingga 20 menit. Penguin kaisar juga dikenal menyelam hingga 1.800 kaki untuk menemukan mangsanya. Spesies lain, Gentoo, diketahui menyelam hingga 500 kaki. Tidak seperti anjing laut, penguin relatif kecil, sehingga paru-paru mereka hanya dapat menampung begitu banyak oksigen. Juga, kompresi bawah air mempengaruhi paru-paru penguin dan kantung udara. Saluran udara penting ini hanya dapat menyediakan 1/3 dari oksigen yang diperlukan untuk setiap penyelaman.
Penelitian yang dilakukan pada penguin liar di Antartika menunjukkan beberapa adaptasi mengejutkan dalam darah dan jaringan otot penguin untuk meningkatkan oksigen selama menyelam di bawah air. Penguin ini dilengkapi dengan sensor khusus untuk memantau ketinggian udara mereka. Tidak seperti manusia, hemoglobin ultra-sensitif yang ada dalam sel darah merah penguin memungkinkan penguin untuk secara efektif memanfaatkan setiap molekul oksigen terakhir dalam sistem mereka untuk menyelam. Darah dikirim terutama ke jantung, otak dan organ utama lainnya. Penguin hemoglobin sangat efektif sehingga penguin dapat terus menyelam ketika hewan lain menderita kerusakan jaringan parah. Selain itu, jaringan otot penguin juga membantunya bernapas dengan efisien di bawah air. Jaringan otot penguin juga dapat menyimpan oksigen tambahan dengan menggunakan sejumlah besar protein darah mioglobin. Juga, enzim khusus memungkinkan otot penguin bekerja tanpa kehadiran oksigen sambil menetralkan penumpukan asam laktat. Ketika penguin mencapai permukaan dan kembali ke pernapasan normal, mereka kemudian dapat mengeluarkan penumpukan asam laktat ini. Untuk lebih menghemat konsumsi oksigen, penguin dapat menurunkan detak jantung mereka menjadi lima detak per menit. Dengan menggunakan lebih sedikit energi, burung-burung ini dapat memperpanjang waktunya menyelam di bawah air.
Penguin berenang paling efisien di permukaan air yang lebih dalam, tetapi terkadang mungkin perlu berenang di permukaan air. Beberapa spesies penguin menggunakan teknik pernapasan dan berenang yang disebut porpoising, dinamai lumba-lumba dan lumba-lumba. Burung-burung muncul untuk mencari udara, lalu menarik dan menghembuskan napas dengan cepat. Mereka kemudian mulai bernapas tanpa mengganggu gerakan mereka ke depan. Mereka melompat masuk dan keluar dari air. Penguin dapat mempertahankan kecepatan hingga 6 mph saat lumba-lumba. Namun, teknik lumba-lumba ini biasanya tidak terlihat pada penguin Raja atau Kaisar.