Pingwin cesarski jest zdolny do termoregulacji (utrzymywania temperatury ciała) bez zmiany metabolizmu, w reakcji na szerokie zakresy temperatur. Termoneutralny zasięg wynosi od –10 do 20 °C. Poniżej tego zakresu tempo metabolizmu znacznie przyspiesza, choć osobnik może utrzymać wewnętrzną temperaturę ciała (około 38 °C) w zbadanym zakresie temperatur na zewnątrz od 20 °C do –47 °C. Ruchy wykonywane przy pływaniu i chodzeniu oraz drżenie ciała stanowią trzy główne mechanizmy zwiększenia metabolizmu. Czwarty proces wiąże się ze zwiększeniem rozkładu tłuszczów przez enzymy, co jest indukowane przez glukagon. Przy temperaturze powyżej 20 °C pingwin może zachowywać się niespokojnie ze względu na temperaturę ciała i tempo metabolizmu, które zwiększa się. Unoszenie skrzydeł i odkrywanie obszarów pod nimi zwiększa ekspozycję powierzchni ciała na powietrze o 16%, co wywołuje szybsze wychładzanie.