وظائف اعضاء (فسيولوجيا) الغوص تحت الماء تُعَدّ بمثابة التكيفات الفسيولوجية التي تطرأ على الفقاريات التي تتنفس الهواء والتي عادت إلى المحيط من سلالات برية. تشمل هذه المجموعة المتنوعة كلاً من ثعابين البحر، والسلاحف البحرية، والإغوانا البحرية، وتماسيح المياه المالحة، وطيور البطريق، والفقميات (زعنفيات الأقدام)، والحوتيات، وثعالب البحر، وخراف البحر، والأطوم. جميع الفقاريات الغواصة المعروفة تغوص من أجل الغذاء، ويتأثر مدى الغوص من حيث العمق والمدة باستراتيجيات التغذية، وكذلك في بعض الحالات بتجنب المفترسات. يرتبط سلوك الغوص ارتباطًا وثيقًا بالتكيفات الفسيولوجية الخاصة به، وغالبًا ما يؤدي هذا السلوك إلى دراسة الفسيولوجيا التي تجعله ممكنًا، لذلك يُدرسان معًا كلما أمكن. أكثر الفقاريات الغواصة تقوم بغوصات قصيرة وضحلة نسبيًا. تغوص ثعابين البحر والتماسيح والإغوانا البحرية فقط في المياه الساحلية ونادرًا ما تغوص أعمق من 10 أمتار (33 قدمًا). بعض هذه المجموعات يمكنها القيام بغوصات أعمق وأطول بكثير. يغوص بطريق الإمبراطور بانتظام إلى أعماق تتراوح بين 400 إلى 500 متر (1,300 إلى 1,600 قدم) لمدة تتراوح بين 4 و5 دقائق، وكثيرًا ما يغوص لمدة تتراوح بين 8 و12 دقيقة، وله قدرة تحمل قصوى تبلغ حوالي 22 دقيقة. تبقى فيلة البحر في البحر لمدة تتراوح بين 2 و8 أشهر وتغوص باستمرار، حيث تقضي 90% من وقتها تحت الماء بمتوسط 20 دقيقة لكل غوصة، وتقل مدة بقائها على السطح عن 3 دقائق بين الغوصات. تبلغ مدة غوصها القصوى حوالي ساعتين وتتغذى بشكل روتيني على أعماق تتراوح بين 300 و600 متر (980 و1,970 قدمًا)، على الرغم من أنها يمكن أن تتجاوز أعماق 1,600 متر (5,200 قدم). وُجد أن الحوت المنقاري يغوص بانتظام للبحث عن الطعام على أعماق تتراوح بين 835 و1,070 مترًا (2,740 و 3,510 أقدام)، ويبقى مغمور لحوالي 50 دقيقة. ويبلغ أقصى عمق مسجل له 1,888 مترًا (6,194 قدمًا)، وأقصى مدة هي 85 دقيقة.
يجب على الفقاريات البحرية التي تتنفس الهواء وتغوص من أجل الغذاء أن تتعامل مع تأثيرات الضغط في الأعماق، ونقص الأكسجين أثناء انقطاع النفس، والحاجة إلى العثور على طعامها واصطياده. ويمكن أن ترتبط تكيفات الغوص بهذه المتطلبات الثلاثة. يجب أن تتكيف الكائنات الحية مع الضغط من خلال التعامل مع الآثار الميكانيكية للضغط على التجويفات المملوءة بالغاز، والتغيرات في ذوبانية الغازات تحت الضغط، والآثار المباشرة المحتملة للضغط على الأيض، بينما تشمل تكيفات القدرة على حبس الأنفاس تعديلات على الأيض والتروية وتحمل ثاني أكسيد الكربون وسعة تخزين الأكسجين. وتختلف التكيفات الخاصة بإيجاد الطعام واصطياده تبعًا لنوع الطعام، ولكن الغوص العميق ينطوي عمومًا على العمل في بيئة مظلمة.
قد زادت الفقاريات الغواصة كمية الأكسجين المخزنة في أنسجتها الداخلية. يتكون مخزون الأكسجين هذا من ثلاثة عناصر: الأكسجين الموجود في الهواء داخل الرئتين، والأكسجين المخزن بواسطة الهيموغلوبين في الدم، وبواسطة الميوغلوبين في الأنسجة العضلية. وتتمتع عضلات ودم الفقاريات الغواصة بتركيزات أكبر من الهيموغلوبين والميوغلوبين مقارنة بالحيوانات البرية. ويصل تركيز الميوغلوبين في عضلات الحركة لدى الفقاريات الغواصة إلى ما يصل إلى 30 ضعفًا مما هو عليه في أقاربها البرية. وتزيد كمية الهيموغلوبين بوجود كمية أكبر نسبيًا من الدم ونسبة أكبر من خلايا الدم الحمراء في الدم مقارنة بالحيوانات البرية. وتوجد أعلى القيم في الثدييات التي تغوص بأعمق وأطول مدة.
حجم الجسم عامل مؤثر في القدرة على الغوص. ترتبط كتلة الجسم الأكبر بمعدل أيض أقل نسبيًا، بينما يتناسب تخزين الأكسجين طرديًا مع كتلة الجسم، لذلك يجب أن تكون الحيوانات الأكبر حجمًا قادرة على الغوص لفترة أطول، مع تساوي جميع العوامل الأخرى. وتؤثر كفاءة السباحة أيضًا على القدرة على الغوص، حيث تتطلب المقاومة المنخفضة والكفاءة العالية في الدفع طاقة أقل لنفس الغوصة. وغالبًا ما يستخدم أيضًا التنقل بالدفع والانزلاق لتقليل استهلاك الطاقة، وقد يشمل ذلك استخدام الطفو الإيجابي أو السلبي للمساعدة في جزء من الصعود أو الهبوط.
إن الاستجابات التي تُشاهد في الفقمات التي تغوص بحرية في البحر هي نفسها فسيولوجيًا التي تُشاهد أثناء الغوصات القسرية في المختبر. فهي ليست خاصة بالغمر في الماء، بل هي آليات وقائية ضد الاختناق مشتركة بين جميع الثدييات ولكنها أكثر فاعلية وتطورًا في الفقمات. وتعتمد درجة التعبير عن هذه الاستجابات بشكل كبير على توقع الفقمة لمدة الغوصة. ويمكن أن تحدث استجابة الغوص التي تتضمن تباطؤ معدل ضربات القلب وتضيق الأوعية في كل من الثدييات والبط الغواص بسبب غمر الوجه أو تبليل فتحتي الأنف والمزمار أو تحفيز الأعصاب ثلاثية التوائم والبلعومية اللسانية. ولا يمكن للحيوانات تحويل الدهون إلى جلوكوز، وفي العديد من الحيوانات الغواصة، لا تتوفر الكربوهيدرات بسهولة من النظام الغذائي، ولا تخزن بكميات كبيرة، ولأنها ضرورية لعملية الأيض اللاهوائي، فقد تكون عاملاً مقيدًا.
مرض تخفيف الضغط هو مرض مرتبط بامتصاص الغاز الخامل أيضيًا تحت الضغط، ثم إطلاقه لاحقًا في الأنسجة على شكل فقاعات. وكان يُعتقد أن الثدييات البحرية محصنة نسبيًا ضد مرض تخفيف الضغط بسبب التكيفات التشريحية والفسيولوجية والسلوكية التي تقلل من تحميل الأنسجة بالنيتروجين المذاب أثناء الغوص، ولكن الملاحظات تظهر أن فقاعات الغاز قد تتشكل، وقد تحدث إصابات في الأنسجة في ظل ظروف معينة. وتتنبأ نماذج تخفيف الضغط التي تستخدم قياسات الغوص المحسوبة بإمكانية ارتفاع ضغط النيتروجين في الدم والأنسجة.