Os pinguins precisam mergulhar sob a água para pegar seu alimento no oceano. No entanto, os pinguins precisam de oxigênio para respirar debaixo d'água. Para a maioria das espécies de pinguins, o mergulho subaquático médio dura 6 minutos, já que a maioria de suas presas reside nos níveis superiores da água. No entanto, o pinguim-imperador se alimenta de lulas, peixes ou krill que vivem nas profundezas da água, portanto, essa espécie de pinguim pode prender a respiração por até 20 minutos. Os pinguins-imperadores também são conhecidos por mergulhar até 1.800 pés para encontrar suas presas. Outra espécie, o Gentoo, é conhecido por mergulhar a até 500 pés. Ao contrário das focas, os pinguins são relativamente pequenos, então seus pulmões só podem conter uma certa quantidade de oxigênio. Além disso, a compressão subaquática afeta os pulmões e os sacos de ar dos pinguins. Essas vias aéreas cruciais podem fornecer apenas 1/3 do oxigênio necessário para cada mergulho.
Pesquisas realizadas com pinguins selvagens na Antártica mostram algumas adaptações surpreendentes no sangue e nos tecidos musculares dos pinguins para aumentar o oxigênio durante um mergulho subaquático. Esses pinguins foram equipados com sensores especiais para monitorar seu nível de ar. Ao contrário dos humanos, a hemoglobina ultrassensível presente nas células vermelhas do sangue dos pinguins permite que eles utilizem efetivamente cada molécula de oxigênio em seu sistema para mergulhar. O sangue é enviado principalmente para o coração, cérebro e outros órgãos importantes. A hemoglobina do pinguim é tão eficaz que os pinguins podem continuar a mergulhar quando outros animais sofreriam danos graves nos tecidos. Além disso, os tecidos musculares do pinguim também o ajudam a respirar com eficiência embaixo d'água. Os tecidos musculares do pinguim também podem armazenar oxigênio adicional, usando grandes quantidades da proteína mioglobina do sangue. Além disso, uma enzima especial permite que os músculos do pinguim trabalhem sem a presença de oxigênio enquanto neutraliza o acúmulo de ácido lático. Quando os pinguins alcançam a superfície e voltam à respiração normal, eles podem expelir esse acúmulo de ácido láctico. Para economizar ainda mais no consumo de oxigênio, os pinguins podem reduzir sua freqüência cardíaca para cinco batimentos por minuto. Usando menos energia, essas aves são capazes de prolongar seu tempo de mergulho subaquático.
Os pinguins nadam com mais eficiência em níveis de água mais profundos, mas às vezes pode ser necessário nadar na superfície da água. Algumas espécies de pinguins usam uma técnica de respiração e natação chamada boto, em homenagem a botos e golfinhos. Os pássaros sobem para respirar, depois inspiram e expiram rapidamente. Eles então começam a respirar sem interromper o movimento para a frente. Eles entram e saem da água. Os pinguins podem manter uma velocidade de até 6 mph enquanto fazem botos. No entanto, essa técnica de tonificação geralmente não é vista em pinguins-rei ou imperador.