Pingvīniem ir nepieciešams ienirt zem ūdens, lai noķertu pārtiku okeānā. Tomēr pingvīniem ir nepieciešams skābeklis, lai elpotu zem ūdens. Lielākajai daļai pingvīnu sugu vidējā zemūdens niršana ilgst 6 minūtes, jo lielākā daļa viņu upuru atrodas augšējos ūdens līmeņos. Tomēr imperators pingvīns barojas ar kalmāriem, zivīm vai kriliem, kas dzīvo dziļi zem ūdens, tāpēc šī pingvīnu suga var aizturēt elpu līdz 20 minūtēm. Ir zināms arī, ka imperatora pingvīni ienirst līdz 1800 pēdām, lai atrastu savu upuri. Ir zināms, ka cita suga - Gentoo - nirst līdz 500 pēdām. Atšķirībā no roņiem, pingvīni ir salīdzinoši mazi, tāpēc viņu plaušas var turēt tikai tik daudz skābekļa. Arī zemūdens saspiešana ietekmē pingvīnu plaušas un gaisa maisiņus. Šie izšķirošie elpceļi var nodrošināt tikai 1/3 nepieciešamā skābekļa, kas nepieciešams katrai niršanai.
Antarktīdā veiktie savvaļas pingvīnu pētījumi parāda dažus pārsteidzošus pielāgojumus pingvīna asinīs un muskuļu audos skābekļa palielināšanai zemūdens niršanas laikā. Šiem pingvīniem tika uzstādīti speciāli sensori, lai uzraudzītu to gaisa līmeni. Atšķirībā no cilvēkiem, īpaši jutīgais hemoglobīns, kas atrodas pingvīnu sarkanajās asins šūnās, ļauj pingvīniem efektīvi izmantot katru pēdējo skābekļa molekulu savā sistēmā niršanai. Asinis galvenokārt tiek sūtītas uz sirdi, smadzenēm un citiem galvenajiem orgāniem. Pingvīnu hemoglobīns ir tik efektīvs, ka pingvīni var turpināt nirt, kad citi dzīvnieki cieš no smagiem audu bojājumiem. Turklāt pingvīna muskuļu audi arī palīdz tai efektīvi elpot zem ūdens. Pingvīna muskuļu audi var arī uzglabāt papildu skābekli, izmantojot lielu daudzumu asins olbaltumvielu mioglobīna. Arī īpašs ferments ļauj pingvīna muskuļiem darboties bez skābekļa klātbūtnes, vienlaikus neitralizējot pienskābes uzkrāšanos. Kad pingvīni nonāk virsmā un atgriežas normālā elpošanā, viņi pēc tam var izvadīt šo pienskābes uzkrāšanos. Lai vēl vairāk ietaupītu skābekļa patēriņu, pingvīni var samazināt sirdsdarbības ātrumu līdz pieciem sitieniem minūtē. Izmantojot mazāk enerģijas, šie putni spēj pagarināt niršanas laiku zem ūdens.
Pingvīni visefektīvāk peld dziļākos ūdens līmeņos, bet dažreiz var būt nepieciešams peldēties pie ūdens virsmas. Dažas pingvīnu sugas izmanto elpošanas un peldēšanas tehniku, ko sauc par cūkdelfīnu un kas nosaukta cūkdelfīnu un delfīnu vārdā. Putni nāk gaisā, pēc tam ātri ieelpo un izelpo. Pēc tam viņi sāk elpot, nepārtraucot kustību uz priekšu. Viņi lec iekšā un ārā no ūdens. Pingvīni var uzturēt ātrumu līdz 6 jūdzēm stundā. Tomēr šo cūciņu tehniku parasti neredz karaļa vai imperatora pingvīnos.