Sachverhalt: A. A.a Mit Verfügung vom 4. November 2008 sprach die IV-Stelle des Kantons Zürich der 1960 geborenen D._ auf der Basis eines Invaliditätsgrades von 46 % eine Viertelsrente rückwirkend ab 1. November 2006 zu. Die dagegen erhobene Beschwerde hiess das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 31. August 2009 in dem Sinne gut, dass die angefochtene Rentenverfügung aufgehoben und die Sache an die Verwaltung zurückgewiesen wurde, damit diese, nach erfolgter Abklärung im Sinne der Erwägungen, erneut über den Rentenanspruch befinde. A.b Gestützt auf die Ergebnisse des in der Folge veranlassten Gutachtens des Dr. med. S._, FMH Orthopädische Chirurgie und Traumatologie des Bewegungsapparates, vom 21. März 2010 setzte die IV-Stelle den Erwerbsunfähigkeitsgrad neu auf 35 % fest und lehnte die Ausrichtung weiterer Rentenleistungen ab (Vorbescheid vom 28. Juli 2010, Verfügung vom 15. Dezember 2010). B. Die hiegegen eingereichte Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich ab (Entscheid vom 27. Mai 2011). C. D._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und beantragen, in Aufhebung des kantonalen Entscheids sei die Angelegenheit zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht sie um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege (Prozessführung, Verbeiständung). Die kantonalen Akten wurden beigezogen. Auf die Durchführung eines Schriftenwechsels wurde verzichtet.