Le Manchot empereur n'a pas de nid fixe. Ainsi pour localiser son ou sa partenaire et son oisillon au sein de la colonie, il utilise des appels sonores : on dit qu'il brait. Il possède à sa disposition un registre complexe de cris nécessaires à la reconnaissance des parents entre eux et des adultes avec leur petit. Il dispose de la plus grande variété de cris de tous les manchots. Le Manchot empereur utilise simultanément deux bandes de fréquences. Les oisillons réclament de la nourriture et appellent leurs parents par un sifflement dont ils peuvent moduler la fréquence.
Les Manchots empereurs sont des animaux sociables, vivant en colonies. Ils chassent ensemble et peuvent coordonner leurs plongées et leurs remontées à la surface. Ils sont actifs de jour comme de nuit. Un adulte passe une grande partie de l'année à circuler entre la zone de nidification et les zones océaniques riches en nourriture. Les animaux se dispersent dans l'océan de janvier à mars.
Afin de faire face au froid, les manchots de la colonie se regroupent en un amas compact. La formation ainsi obtenue, surnommée « la tortue », peut comprendre entre une dizaine et plusieurs centaines d'oiseaux, chacun s'appuyant sur un de ses voisins pour limiter en périphérie le contact avec l'air. Les manchots situés à l'extérieur de l'amas ont tendance à s'introduire lentement dans la masse, et chacun se retrouvera successivement à l'extérieur et à l'intérieur du groupe, afin que ce ne soit pas toujours les mêmes individus qui soient exposés au froid.
Le Manchot empereur est une proie privilégiée pour divers oiseaux et mammifères marins. Le Pétrel géant (Macronectes giganteus) est son principal prédateur terrestre, responsable à lui seul de jusqu'à 34 % des morts de jeunes dans certaines colonies. Le Labbe de McCormick (Stercorarius maccormicki) se nourrit principalement d'oisillons morts, car les jeunes sont trop gros pour être menacés à la période durant laquelle il arrive dans la colonie.
Les principales menaces pour le manchot lorsqu'il est dans l'eau proviennent de deux mammifères : le Léopard de mer (Hydrurga leptonyx), qui s'attaque aux adultes et aux jeunes lors de leurs premières plongées, et l'Orque (Orcinus orca), qui s'attaque aux adultes.
Une importante partie de la mortalité des oisillons est imputable aux mauvais soins lors de la couvaison. Le parent resté pour s'occuper de l'œuf peut le perdre, parfois lors de conflits ou de bousculades, ou cesser de le couver. Ce type de perte atteint son maximum au mois de mai, juste après la ponte, et les manchots ayant toujours leur œuf en juin sont généralement les plus expérimentés. Par la suite, le poussin est soumis à des conditions climatiques très rudes, conduisant parfois à sa mort, mais il peut également souffrir de malnutrition lorsque le parent parti se nourrir tarde à revenir de son voyage en mer.
La morphologie du manchot, que ses ailes atrophiées ont rendu inapte au vol, est adaptée à la nage : son corps rigide et son cou court lui permettent de se propulser dans l'eau à une vitesse de 5 à 10 km/h, avec des pointes pouvant atteindre 30 km/h. Sa densité corporelle est élevée, ses ailes lui servent de nageoires et ses pattes de gouvernail. Ses plongées sont profondes (plus de 300 m) et ne durent que quelques minutes.
Il est capable de réaliser de longues marches, mais aussi de glisser sur le ventre ou par toboganning. Mâles et femelles vont parfois chercher leur nourriture à plus de 500 km des colonies pour nourrir les oisillons, couvrant entre 82 et 1 454 km par individu et par voyage. Un mâle retournant à la mer après avoir couvé se dirige directement vers des aires d'eau libre permanentes, connues sous le nom de polynies, à environ 100 km de la colonie.
Le Manchot empereur se nourrit principalement de poissons, de crustacés et de céphalopodes, mais des variations significatives existent d'une population à une autre. Les poissons constituent généralement la principale source de nourriture, et la Calandre antarctique (Pleuragramma antarcticum) représente une large part de l'alimentation de l'oiseau. Les poissons de la famille des Nototheniidae, certains calmars comme le Calmar des glaces (Psychroteuthis glacialis), et le Krill antarctique (Euphausia superba) sont également fréquemment consommés par le manchot. Le Manchot empereur chasse dans les eaux de l'océan Austral, dans des zones libérées des glaces ou dans des cassures dans la banquise. Une des stratégies qu'il adopte consiste à plonger à environ 50 m de profondeur, de manière à pouvoir repérer des poissons vivant juste sous la banquise comme Pagothenia borchgrevinki, un poisson perciforme que l'on rencontre fréquemment juste sous la couche de glace. Une fois sa proie repérée, il remonte rapidement vers la glace pour l'attraper. Il plonge ensuite à nouveau et répète cette séquence environ 6 fois avant de remonter à la surface pour respirer. La composition de son alimentation peut varier significativement au cours de l'année et d'une colonie à l'autre. Ainsi, le poisson peut constituer entre 20 et 96 % de son alimentation, le krill entre 1 et 68 % de son alimentation et les céphalopodes entre 3 et 65 % de son alimentation. La résistance au jeûne du Manchot empereur est stupéfiante : en quatre mois, son poids peut passer de 40 à 23 kg (dont deux de graisse).
Les Manchots empereurs présentent la particularité de se reproduire dans l'une des régions les plus inhospitalières du monde, l'Antarctique, pendant l'hiver : les températures peuvent descendre jusqu'à -60 °C, avec des vents dépassant les 200 km/h. Parfois, lorsqu'un site d'hivernage devient trop venteux, une colonie de Manchots empereurs déménage vers un lieu moins hostile.
Le Manchot empereur est mature à partir de l'âge de trois ans, mais il ne commence généralement à se reproduire qu'environ un à trois ans plus tard. Le cycle de reproduction annuel commence au début de l'hiver austral, en mars et avril, quand tous les Manchots empereurs adultes se dirigent vers les aires de nidification des colonies. Il leur faut souvent marcher sur 50 à 120 km de la périphérie de la banquise vers l'intérieur des terres. Le début du voyage semble être induit par la diminution de la durée des jours. Ainsi, en contrôlant la luminosité et imitant des jours courts, des scientifiques ont provoqué l'entrée en reproduction de Manchots empereurs en captivité.
Les manchots commencent leur parade amoureuse en mars ou en avril, alors que la température n'est parfois que de -40 °C. Le mâle fait une parade extatique au cours de laquelle il se tient immobile puis place sa tête sur sa poitrine avant de prendre son inspiration et émettre un cri de parade d'une à deux secondes. Il se déplace ensuite dans la colonie en répétant ce cri. Un mâle et une femelle se tiennent ensuite face à face, allongeant l'un après l'autre la tête et le cou, et ce durant plusieurs minutes. Une fois formés, les couples se dandinent dans la colonie, la femelle suivant généralement le mâle. Avant la copulation, l'un des oiseaux fait une révérence à son compagnon, le bec s'approchant près du sol, avant que l'autre ne l'imite.
Les Manchots empereurs sont monogames. Les couples se forment pour toute la saison de reproduction. Toutefois, la fidélité d'une année sur l'autre n'est que de 15 %. La durée assez courte de la période féconde chez la femelle explique cela ; il est plus important de se reproduire que d'attendre de retrouver son partenaire de l'année précédente.
La femelle commence à couver un œuf de 460 à 470 g en mai ou début juin. Il a vaguement une forme de poire, est de couleur vert-blanchâtre pâle et mesure environ 12 cm de long pour 8 cm de diamètre. Il représente 2,3 % du poids de sa mère, ce qui en fait l'un des plus petits œufs, relativement au poids de la femelle, de toutes les espèces d'oiseaux. La coquille constitue 15,7 % du poids de l'œuf ; comme chez la plupart des espèces d'oiseaux, elle est relativement épaisse, ce qui limite les risques de casse.
Étant donné que la terre est couverte de glace, le Manchot empereur ne nidifie pas, mais il porte l'œuf sur ses pattes, hautement vascularisées, et le recouvre d'un épais repli de peau (la température sous le repli est estimée à plus de 30 °C). Au moment de la ponte, la femelle rabat sa queue sous elle pour réceptionner l'œuf, puis le dépose sur ses pattes et va à tout petits pas vers le mâle pour le lui présenter. Les réserves pondérales de la femelle sont alors épuisées, et elle doit donner avec précaution son œuf au mâle avant de se diriger vers l'océan où elle va se nourrir durant deux mois. Le transfert de l'œuf peut se révéler compliqué, et de nombreux couples le font tomber durant cette opération. Quand cela arrive, l'embryon est rapidement perdu, car l'œuf ne peut résister aux températures extrêmement basses du sol glacé. Le mâle passe l'hiver à couver l'œuf sous son repli de peau, le balançant sur la pointe de ses pattes, durant 64 jours consécutifs jusqu'à l'éclosion. Le Manchot empereur est la seule espèce de manchot où le mâle couve l'œuf seul. Lorsque l'œuf éclot, le mâle a jeûné pendant environ 115 jours depuis son arrivée dans la colonie. Pour survivre au froid et aux vents de parfois plus de 200 km/h, les mâles se regroupent et se tiennent les uns contre les autres, comme une forme de tortue, en se relayant afin de ne pas être toujours exposés sur les bords de la formation. Durant tout le temps du voyage, de la cour et de la couvaison, le mâle perd 10 à 15 kg, soit 30 à 45 % de sa masse initiale qui varie entre 34 et 40 kg.
La coquille de l'œuf étant relativement épaisse, l'éclosion peut durer entre deux et trois jours. Les oisillons sont semi-nidicoles, couverts seulement d'une fine couche de duvet et entièrement dépendants de leurs parents pour se nourrir et maintenir leur température. Si le jeune éclot avant le retour de la mère, le père le nourrit par régurgitation avec une sécrétion composée de 59 % de protéines et 28 % de lipides, produite par une glande de son œsophage et parfois appelée « lait de manchot ».
La femelle revient au moment de l'éclosion, voire 10 jours après celle-ci, à la mi-juillet ou début août. Elle retrouve son partenaire grâce à son cri, et va s'occuper du petit, le nourrissant en régurgitant la nourriture qu'elle a stockée dans son estomac. Le mâle part alors à son tour vers l'océan pour s'alimenter, et y passe environ 24 jours avant de revenir. Les parents entament alors un roulement, s'occupant tour à tour de leur oisillon tandis que l'autre part chercher de la nourriture en mer. Le printemps austral venu, environ 45 à 50 jours après l'éclosion, les jeunes sont suffisamment âgés pour être capables de réguler leur température, et ils sont laissés dans des « crèches » qui regroupent les poussins de différents couples. Pour se protéger du froid, ils imitent les adultes en formant une tortue pendant que les parents sont en mer en quête de nourriture. Les parents peuvent parfois plonger cent fois par jour pour rapporter toutes les une à deux semaines deux à quatre kilos de poissons et de petits crustacés à leur progéniture.
En décembre, lors de l'été austral, les poussins ont grandi, mué, et sont prêts à prendre le large. Les adultes abandonnent les jeunes sur la banquise, et ceux-ci finissent par se jeter à l'eau en groupe. Ils ne pèsent alors que 45 % du poids d'un adulte, et ils ne reviendront se reproduire à leur tour, au même endroit, qu'une fois qu'ils auront atteint l'âge de cinq ans.
L'espérance de vie du Manchot empereur a été évaluée à 19,9 ans. Les mêmes chercheurs estiment que 1 % des manchots éclos sont susceptibles d'atteindre l'âge de 50 ans. D'un autre côté, seulement 19 % des oisillons survivent à leur première année de vie. Ainsi, la population de manchots est composée essentiellement d'adultes de cinq ans et plus.