Pingviner må dykke under vann for å fange maten i havet. Pingviner trenger imidlertid oksygen for å puste under vann. For de fleste arter av pingviner varer det gjennomsnittlige dykket under vann i 6 minutter, siden det meste av byttedyret deres ligger i de øvre vannstandene. Imidlertid spiser Emperor Penguin på blekksprut, fisk eller krill som ligger dypt under vann, slik at denne pingvinarten kan holde pusten i opptil 20 minutter. Keiserpingviner er også kjent for å dykke opp til 1800 fot for å finne byttet sitt. En annen art, Gentoo, er kjent for å dykke opp til 500 fot. I motsetning til sel er pingviner relativt små, så lungene deres kan bare holde så mye oksygen. Kompresjon under vann påvirker også pingvinenes lunger og luftsekker. Disse viktige luftveiene kan bare gi 1/3 av det nødvendige oksygenet som trengs for hvert dykk.
Forskning utført på ville pingviner i Antarktis viser noen overraskende tilpasninger i pingvinens blod og muskelvev for å øke oksygen under et dykk under vann. Disse pingvinene ble utstyrt med spesielle sensorer for å overvåke luftnivået. I motsetning til mennesker tillater det ultrafølsomme hemoglobinet som er tilstede i pingvinenes røde blodlegemer at pingvinene effektivt kan bruke hvert eneste oksygenmolekyl i deres dykkersystem. Blodet sendes hovedsakelig til hjertet, hjernen og andre store organer. Penguinhemoglobin er så effektiv at pingviner kan fortsette å dykke når andre dyr vil lide av alvorlig vevskade. I tillegg hjelper pingvinens muskelvev den med å puste effektivt under vann. En pingvins muskelvev kan også lagre ekstra oksygen ved å bruke store mengder blodprotein myoglobin. Dessuten tillater et spesielt enzym pingvinens muskler å fungere uten tilstedeværelse av oksygen mens de nøytraliserer melkesyreoppbygging. Når pingvinene når overflaten og går tilbake til normal pust, kan de deretter utvise denne opphopningen av melkesyre. For ytterligere å spare på oksygenforbruket, kan pingviner senke pulsen til fem slag per minutt. Ved å bruke mindre energi kan disse fuglene forlenge tiden med å dykke under vann.
Pingviner svømmer mest effektivt på dypere vannstander, men noen ganger kan det være nødvendig å svømme på vannoverflaten. Noen arter av pingviner bruker en puste- og svømmeteknikk som kalles marsvin, oppkalt etter marsvin og delfiner. Fuglene kommer opp for luft, så puster og puster raskt ut. De begynner å puste uten å forstyrre bevegelsen fremover. De hopper inn og ut av vannet. Pingvinene kan opprettholde en hastighet på opptil 6 km / t mens de niser. Imidlertid er denne marsvinteknikken vanligvis ikke sett hos King- eller Emperor-pingviner.