פינגווינים צריכים לצלול מתחת למים על מנת לתפוס את מזונם באוקיינוס. עם זאת, פינגווינים זקוקים לחמצן כדי לנשום מתחת למים. עבור רוב מיני הפינגווינים, הצלילה הממוצעת מתחת למים נמשכת 6 דקות, מכיוון שרוב הטרף שלהם שוכן בגובה המים העליונים. עם זאת, הפינגווין של הקיסר ניזון מדיונונים, דגים או קרילים השוכנים עמוק מתחת למים, כך שמין פינגווין זה יכול לעצור את נשימתו עד 20 דקות. ידוע שגם פינגווינים של הקיסר צוללים עד 1,800 מטר כדי למצוא את טרפם. מין אחר, ג'נטו, ידוע כצלילה עד 500 מטר. שלא כמו כלבי ים, הפינגווינים קטנים יחסית, ולכן הריאות שלהם יכולות להחזיק רק כל כך הרבה חמצן. כמו כן, דחיסה תת-מימית משפיעה על הריאות ועל שקיות האוויר של הפינגווינים. דרכי הנשימה החיוניות הללו יכולות לספק רק 1/3 מהחמצן הדרוש הדרוש לכל צלילה.
מחקר שנערך על פינגוויני בר באנטארקטיקה מראה כמה התאמות מפתיעות בדם וברקמות השרירים של הפינגווין להגברת החמצן במהלך צלילה מתחת למים. לפינגווינים אלה הותקנו חיישנים מיוחדים לפקח על מפלס האוויר שלהם. בניגוד לבני אדם, ההמוגלובין הרגיש במיוחד הקיים בתאי הדם האדומים של הפינגווינים מאפשר לפינגווינים להשתמש ביעילות בכל מולקולת חמצן אחרונה במערכת שלהם לצלילה. הדם נשלח בעיקר ללב, למוח ולאיברים מרכזיים אחרים. המוגלובין של פינגווין יעיל עד כדי כך שפינגווינים יכולים להמשיך לצלול כאשר בעלי חיים אחרים יסבלו מפגיעה קשה ברקמות. בנוסף, רקמות שריר הפינגווין עוזרות לו לנשום ביעילות מתחת למים. רקמות שריר של פינגווין יכולות לאגור חמצן נוסף באמצעות כמויות גדולות של חלבון המיוגלובין בדם. כמו כן, אנזים מיוחד מאפשר לשרירי הפינגווין לעבוד ללא נוכחות חמצן תוך נטרול הצטברות חומצת חלב. כאשר הפינגווינים מגיעים לפני השטח וחוזרים לנשימה רגילה, הם יכולים לגרש הצטברות זו של חומצת חלב. כדי לחסוך עוד יותר בצריכת החמצן, פינגווינים יכולים להוריד את הדופק שלהם לחמש פעימות בדקה. על ידי שימוש באנרגיה פחותה ציפורים הללו מסוגלות להאריך את זמנן בצלילה מתחת למים.
פינגווינים שוחים ביעילות ביותר במפלסי מים עמוקים יותר, אך לעיתים ייתכן שיהיה צורך לשחות על פני המים. מינים מסוימים של פינגווינים משתמשים בטכניקת נשימה ושחייה הנקראת פורפוריזינג, הקרויה על שם עופות דורסים ודולפינים. הציפורים עולות לאוויר, ואז שואפות ונושפות במהירות. לאחר מכן הם מתחילים לנשום מבלי להפריע לתנועתם קדימה. הם קופצים פנימה ויוצאים מהמים. הפינגווינים יכולים לשמור על מהירות של עד 6 קמ"ש תוך כדי בריחה. עם זאת, טכניקת דשן זו אינה נראית בדרך כלל אצל פינגוויני המלך או הקיסר.