Plusieurs mammifères marins sont capables de plongées prolongées d'une durée bien supérieure à une heure. Le record appartient à l'éléphant de mer, qui peut rester sous l'eau jusqu'à deux heures d'affilée.
Parmi les baleines, le cachalot retient son souffle le plus longtemps, faisant souvent des plongées de 90 minutes tout en chassant dans des eaux très profondes. Les mammifères plongeurs ralentissent leur rythme cardiaque et dirigent le sang de leurs extrémités vers les organes vitaux lors des plongées profondes. Des études récentes montrent qu'ils ont également une protéine de liaison à l'oxygène appelée myoglobine dans leurs muscles, leur permettant de stocker de l'oxygène dans les tissus musculaires lors de la plongée. Bien qu'elles ne retiennent pas leur souffle au sens conventionnel du terme, certaines tortues d'eau douce hibernent sous l'eau jusqu'à six mois. Cet exploit consiste à ralentir leur taux métabolique et à absorber l'oxygène de l'eau environnante à travers leur peau.
