Sachverhalt: A. A.a X._ (Ehemann) und Y._ (Ehefrau) heirateten am 1. Juni 1996. Aus der Ehe sind zwei Töchter, V._ (1996) und W._ (1998) hervorgegangen. Im Dezember 1999 zog die Ehefrau mit den Töchtern nach Frankreich, wo alle drei seither leben. A.b Am 24. November 2005 klagte die Ehefrau in der Schweiz auf Scheidung der Ehe; das Scheidungsverfahren wurde mit Urteil des Bezirksgerichts Zürich vom 7. April 2008 im Scheidungspunkt sowie bezüglich Güterrecht und Aufteilung der Vorsorgeguthaben rechtskräftig abgeschlossen. Hingegen regelte der Scheidungsrichter weder die elterliche Sorge noch das Besuchsrecht über die beiden Töchter. Vielmehr bestätigte er diesbezüglich - nach erstmaliger Rückweisung seitens des Obergerichtes des Kantons Zürich (Beschluss vom 8. Dezember 2008) - seine Unzuständigkeit mit Verfügung vom 8. November 2010. B. Mit Beschluss vom 12. Juli 2011 gab das Obergericht des Kantons Zürich einem Rekurs des Ehemannes nicht statt und bestätigte die erstinstanzliche Verfügung. C. Dagegen hat der Ehemann (Beschwerdeführer) am 14. September 2011 beim Bundesgericht Beschwerde in Zivilsachen erhoben. Er beantragt, der obergerichtliche Beschluss sei aufzuheben und in Gutheissung seiner ursprünglichen Begehren sei die elterliche Sorge über die Töchter den Eltern gemeinsam zu belassen und ihm ein näher beschriebenes Besuchsrecht einzuräumen. Eventualiter sei die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Es sind keine Vernehmlassungen eingeholt worden.