เพนกวินจำเป็นต้องดำน้ำใต้น้ำเพื่อจับอาหารในมหาสมุทร อย่างไรก็ตาม เพนกวินต้องการออกซิเจนเพื่อหายใจใต้น้ำ สำหรับนกเพนกวินส่วนใหญ่ การดำน้ำใต้น้ำโดยเฉลี่ยจะใช้เวลา 6 นาที เนื่องจากเหยื่อส่วนใหญ่อาศัยอยู่ที่ระดับน้ำด้านบน อย่างไรก็ตาม เพนกวินจักรพรรดิกินปลาหมึก ปลา หรือเคยอาศัยอยู่ใต้น้ำลึก ดังนั้นนกเพนกวินชนิดนี้จึงสามารถกลั้นหายใจได้นานถึง 20 นาที เพนกวินจักรพรรดิยังดำน้ำได้สูงถึง 1,800 ฟุตเพื่อค้นหาเหยื่อ อีกสายพันธุ์หนึ่งคือ Gentoo เป็นที่รู้กันว่าดำน้ำได้สูงถึง 500 ฟุต เพนกวินมีขนาดค่อนข้างเล็ก ต่างจากแมวน้ำ ดังนั้นปอดของพวกมันจึงสามารถเก็บออกซิเจนได้มากเท่านั้น นอกจากนี้ การกดทับใต้น้ำยังส่งผลต่อปอดและถุงลมของเพนกวินอีกด้วย ทางเดินหายใจที่สำคัญเหล่านี้สามารถให้ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการดำน้ำได้เพียง 1/3 เท่านั้น
การวิจัยเกี่ยวกับนกเพนกวินป่าในแอนตาร์กติกาแสดงให้เห็นการปรับตัวที่น่าประหลาดใจบางอย่างในเลือดของเพนกวินและเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อเพื่อเพิ่มออกซิเจนในระหว่างการดำน้ำใต้น้ำ เพนกวินเหล่านี้ได้รับการติดตั้งเซ็นเซอร์พิเศษเพื่อตรวจสอบระดับอากาศของพวกมัน ฮีโมโกลบินที่มีความไวสูงในเซลล์เม็ดเลือดแดงของเพนกวินต่างจากมนุษย์ ทำให้เพนกวินสามารถใช้ออกซิเจนทุกโมเลกุลสุดท้ายในระบบในการดำน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ เลือดส่วนใหญ่ส่งไปยังหัวใจ สมอง และอวัยวะสำคัญอื่นๆ ฮีโมโกลบินของเพนกวินมีประสิทธิภาพมากจนทำให้เพนกวินสามารถดำน้ำต่อไปได้เมื่อสัตว์อื่น ๆ จะประสบกับความเสียหายของเนื้อเยื่ออย่างรุนแรง นอกจากนี้ เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อของนกเพนกวินยังช่วยให้หายใจใต้น้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อของนกเพนกวินยังสามารถเก็บออกซิเจนเพิ่มเติมได้โดยใช้ myoglobin โปรตีนในเลือดจำนวนมาก นอกจากนี้ เอ็นไซม์พิเศษยังช่วยให้กล้ามเนื้อของเพนกวินทำงานได้โดยไม่ต้องมีออกซิเจน ในขณะเดียวกันก็ทำให้กรดแลคติกเป็นกลาง เมื่อเพนกวินขึ้นสู่ผิวน้ำและกลับสู่การหายใจตามปกติ พวกมันสามารถขับกรดแลคติกที่สะสมออกมาได้ เพื่อช่วยประหยัดการใช้ออกซิเจน เพนกวินสามารถลดอัตราการเต้นของหัวใจลงเหลือ 5 ครั้งต่อนาที โดยใช้พลังงานน้อยลง นกเหล่านี้สามารถยืดเวลาการดำน้ำใต้น้ำได้
เพนกวินว่ายน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดในระดับน้ำลึก แต่บางครั้งอาจจำเป็นต้องว่ายน้ำที่ผิวน้ำ เพนกวินบางสายพันธุ์ใช้เทคนิคการหายใจและการว่ายน้ำที่เรียกว่า porpoising ซึ่งตั้งชื่อตามปลาโลมาและโลมา นกขึ้นสู่อากาศแล้วหายใจเข้าและหายใจออกอย่างรวดเร็ว จากนั้นพวกเขาก็เริ่มหายใจโดยไม่ขัดจังหวะการเคลื่อนไหวไปข้างหน้า พวกเขากระโดดเข้าและออกจากน้ำ เพนกวินสามารถรักษาความเร็วได้สูงถึง 6 ไมล์ต่อชั่วโมงในขณะที่ปลาโลมา อย่างไรก็ตาม เทคนิคปลาโลมานี้มักไม่ค่อยพบในเพนกวินคิงหรือจักรพรรดิ