Pinguïns moeten onder water duiken om hun voedsel in de oceaan te vangen. Pinguïns hebben echter zuurstof nodig om onder water te ademen. Voor de meeste soorten pinguïns duurt de gemiddelde duik onder water 6 minuten, aangezien de meeste van hun prooien zich in de hogere waterstanden bevinden. De keizerspinguïn voedt zich echter met inktvis, vissen of krill die diep onder water leven, dus deze pinguïnsoort kan zijn adem tot 20 minuten inhouden. Van keizerspinguïns is ook bekend dat ze tot 1800 voet duiken om hun prooi te vinden. Van een andere soort, de Gentoo, is bekend dat hij tot 500 voet duikt. In tegenstelling tot zeehonden zijn pinguïns relatief klein, dus hun longen kunnen maar een bepaalde hoeveelheid zuurstof bevatten. Ook beïnvloedt compressie onder water de longen en luchtzakken van de pinguïns. Deze cruciale luchtwegen kunnen slechts 1/3 van de benodigde zuurstof voor elke duik leveren.
Onderzoek uitgevoerd op wilde pinguïns op Antarctica toont enkele verrassende aanpassingen in het bloed en spierweefsel van de pinguïn voor het verhogen van zuurstof tijdens een onderwaterduik. Deze pinguïns waren uitgerust met speciale sensoren om hun luchtniveau te controleren. In tegenstelling tot mensen, stelt het ultragevoelige hemoglobine dat aanwezig is in de rode bloedcellen van de pinguïns, de pinguïns in staat om elk laatste molecuul zuurstof in hun systeem effectief te gebruiken om te duiken. Het bloed wordt voornamelijk naar het hart, de hersenen en andere belangrijke organen gestuurd. Pinguïnhemoglobine is zo effectief dat pinguïns kunnen blijven duiken wanneer andere dieren ernstige weefselschade zouden oplopen. Bovendien helpen de spierweefsels van de pinguïn hem ook onder water efficiënt te ademen. De spierweefsels van een pinguïn kunnen ook extra zuurstof opslaan door grote hoeveelheden van het bloedeiwit myoglobine te gebruiken. Ook zorgt een speciaal enzym ervoor dat de spieren van de pinguïn kunnen werken zonder de aanwezigheid van zuurstof, terwijl de opbouw van melkzuur wordt geneutraliseerd. Wanneer de pinguïns de oppervlakte bereiken en terugkeren naar de normale ademhaling, kunnen ze deze ophoping van melkzuur verdrijven. Om nog meer zuurstof te besparen, kunnen pinguïns hun hartslag verlagen tot vijf slagen per minuut. Door minder energie te verbruiken, kunnen deze vogels hun duiktijd onder water verlengen.
Pinguïns zwemmen het meest efficiënt in diepere wateren, maar soms kan het nodig zijn om aan het wateroppervlak te zwemmen. Sommige soorten pinguïns gebruiken een ademhalings- en zwemtechniek genaamd bruinvissen, genoemd naar bruinvissen en dolfijnen. De vogels komen omhoog voor lucht, ademen dan snel in en uit. Ze beginnen dan te ademen zonder hun beweging naar voren te onderbreken. Ze springen in en uit het water. De pinguïns kunnen tijdens het bruinvissen een snelheid van maximaal 6 mph aanhouden. Deze bruinvistechniek wordt echter meestal niet gezien bij konings- of keizerspinguïns.
