เพนกวินจักรพรรดิเป็นเพนกวินที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในบรรดาสปีชีส์ต่าง ๆ ที่มีถิ่นฐานอยู่ในทวีปแอนตาร์กติกา ตัวผู้และตัวเมียมีสีขนและขนาดใกล้เคียงกัน สูงราว 122 เซนติเมตร และหนักระหว่าง 22–37 กิโลกรัม ขนด้านหลังสีดำตัดกันกับขนด้านหน้าตรงบริเวณท้องที่มีสีขาว อกตอนบนสีเหลืองอ่อนและค่อย ๆ ไล่ลงมาจนเป็นสีขาว และบริเวณหูเป็นสีเหลืองจัด เพนกวินจักรพรรดิก็เป็นเช่นเดียวกันกับเพนกวินชนิดอื่นที่เป็นนกที่บินไม่ได้ แต่มีรูปร่างที่เพรียวและปีกที่ลู่ตามตัวแต่แข็งแบนเหมือนครีบที่เหมาะกับการเป็นสัตว์น้ำมากกว่าที่จะเป็นนก
อาหารที่บริโภคส่วนใหญ่เป็นปลา และรวมทั้งสัตว์พวกกุ้งกั้งปูเช่นตัวเคย และสัตว์ประเภทเซฟาโลพอดเช่นหมึก เมื่อดำน้ำหาอาหารเพนกวินจักรพรรดิสามารถอยู่ใต้น้ำได้นานถึง 18 นาที และสามารถดำน้ำได้ลึกถึง 535 เมตรเนื่องจากลักษณะหลายอย่างที่ช่วยในการอยู่ใต้น้ำได้นานเช่นโครงสร้างของฮีโมโกลบินที่ทำให้มีชีวิตอยู่ได้ในบรรยากาศที่มีระดับออกซิเจนต่ำ โครงกระดูกที่แน่นที่ช่วยต้านความกดดันสูง และความสามารถในการลดการเผาผลาญของร่างกาย (กระบวนการสร้างและสลาย) และการปิดการทำงานอวัยวะที่ไม่จำเป็นได้