Pingwiny muszą nurkować pod wodą, aby złapać pożywienie w oceanie. Jednak pingwiny potrzebują tlenu do oddychania pod wodą. W przypadku większości gatunków pingwinów przeciętne nurkowanie pod wodą trwa 6 minut, ponieważ większość ich ofiar znajduje się w wyższych partiach wody. Pingwin cesarski żywi się jednak żyjącymi głęboko pod wodą kalmarami, rybami lub krylem, więc ten gatunek pingwina może wstrzymać oddech nawet na 20 minut. Pingwiny cesarskie są również znane z nurkowania na wysokości 1800 stóp, aby znaleźć swoją zdobycz. Inny gatunek, Gentoo, znany jest z nurkowania do 500 stóp. W przeciwieństwie do fok pingwiny są stosunkowo małe, więc ich płuca mogą pomieścić tylko tyle tlenu. Również kompresja podwodna wpływa na płuca i worki powietrzne pingwinów. Te kluczowe drogi oddechowe mogą dostarczyć tylko 1/3 niezbędnego tlenu potrzebnego do każdego nurkowania.
Badania przeprowadzone na dzikich pingwinach na Antarktydzie pokazują pewne zaskakujące adaptacje w tkankach krwi i mięśniach pingwina do zwiększania poziomu tlenu podczas nurkowania pod wodą. Te pingwiny zostały wyposażone w specjalne czujniki do monitorowania poziomu powietrza. W przeciwieństwie do ludzi, ultraczuła hemoglobina obecna w czerwonych krwinkach pingwinów pozwala pingwinom na efektywne wykorzystanie każdej cząsteczki tlenu w ich systemie do nurkowania. Krew jest przesyłana głównie do serca, mózgu i innych ważnych narządów. Hemoglobina pingwinów jest tak skuteczna, że pingwiny mogą kontynuować nurkowanie, gdy inne zwierzęta cierpią z powodu poważnego uszkodzenia tkanek. Ponadto tkanki mięśniowe pingwina pomagają mu również efektywnie oddychać pod wodą. Tkanki mięśniowe pingwina mogą również magazynować dodatkowy tlen, wykorzystując duże ilości mioglobiny białka krwi. Ponadto specjalny enzym pozwala mięśniom pingwina pracować bez obecności tlenu, jednocześnie neutralizując gromadzenie się kwasu mlekowego. Kiedy pingwiny wypłyną na powierzchnię i powrócą do normalnego oddychania, mogą następnie wydalić nagromadzony kwas mlekowy. Aby jeszcze bardziej zaoszczędzić na zużyciu tlenu, pingwiny mogą obniżyć tętno do pięciu uderzeń na minutę. Zużywając mniej energii ptaki te są w stanie wydłużyć czas nurkowania pod wodą.
Pingwiny pływają najskuteczniej w głębszych stanach wody, ale czasami może być konieczne pływanie na powierzchni wody. Niektóre gatunki pingwinów używają techniki oddychania i pływania zwanej morświnem, nazwanej tak od morświnów i delfinów. Ptaki wstają po powietrze, potem szybko wdech i wydech. Następnie zaczynają oddychać bez przerywania ruchu do przodu. Wskakują i wyskakują z wody. Pingwiny potrafią utrzymać prędkość do 6 mil na godzinę podczas morświnu. Jednak ta technika morświnowa nie jest zwykle spotykana u pingwinów królewskich lub cesarskich.