Przystosowanie do ciśnienia i niskiego poziomu tlenu thumb|Szkielet zawieszony w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej Poza mrozem pingwiny cesarskie muszą mierzyć się z innymi trudnymi warunkami podczas głębokiego nurkowania: znacznie wzrastającym poziomem ciśnienia, do 40 razy większego niż na powierzchni, które u większości innych organizmów lądowych spowodowałoby barotraumę. Kości pingwinów mają stałą budowę zamiast wypełnienia powietrzem, co eliminuje ryzyko mechanicznego urazu ciśnieniowego.
Podczas nurkowania oddychanie tlenowe u pingwinów jest znacznie zmniejszone, a tętno spada do 15–20 uderzeń na minutę, co pozwala na dłuższe zanurzenie. Ta ekstremalna tolerancja hipoksemii, która byłaby katastrofalna w przypadku wielu ptaków i ssaków, wymaga adaptacji biochemicznych i molekularnych, w tym przesunięcia krzywej dysocjacji -Hb pingwina cesarskiego w porównaniu do większości ptaków. Ich hemoglobina i mioglobina mogą wiązać i przenosić tlen, przy małym stężeniu we krwi. Pozwala to na funkcjonowanie przy bardzo niskim poziomie tlenu, co w innym wypadku zakończyłoby się utratą przytomności. Wykresy wartości ciśnienia uzyskane za pomocą przyrządów pomiarowych wykazały, że 42% nurkowań pingwinów cesarskich charakteryzowało się wartościami ciśnienia w worku powietrznym poniżej 20 mmHg (1 mmHg=133,3 Pa).