Faits: A. A.X._, ressortissant du Kosovo (ex-Serbie-et-Monténégro) né en 1967, est entré en Suisse au mois de juin 1997 comme requérant d'asile. Sur le questionnaire rempli le 11 juillet 1997, il a indiqué qu'il était célibataire et sans enfant. Sa demande d'asile a été rejetée le 19 novembre 1997 par l'ancien Office fédéral des réfugiés et son renvoi a été prononcé, sans pouvoir être exécuté. Le 21 mai 1999, l'intéressé a été mis au bénéfice de l'admission provisoire collective prononcée par arrêté du Conseil fédéral du 7 avril 1999. Le 28 février 2000, à Lausanne, A.X._ a épousé une ressortissante suisse née en 1961. A la suite de ce mariage, il a été mis au bénéfice d'une autorisation annuelle de séjour et de travail, régulièrement renouvelée. Le 2 mars 2005, un permis d'établissement lui a été délivré. Le 26 août 2006, A.X._ et son épouse de nationalité suisse ont divorcé. A.X._ a épousé en 2007 à Rahovec (Kosovo) B._, ressortissante de la République du Kosovo née en 1974. Celle-ci est entrée en Suisse le 6 avril 2007 avec un visa. Le 7 juin 2007, A.X._ a formé une demande de regroupement familial en faveur de son épouse. B.X._ a annoncé son arrivée à Lausanne le 8 juin 2007. Sur le rapport d'arrivée, elle a laissé vide la rubrique relative aux membres de la famille restant à l'étranger. Elle a obtenu le 6 septembre 2007 une autorisation de séjour par regroupement familial. Elle dispose actuellement d'un titre de séjour valable jusqu'au 5 avril 2012. Le 4 décembre 2007, "B.X._" a formé auprès de la représentation suisse à Pristina (Kosovo) une demande de visa pour regroupement familial en faveur des enfants C.X._, né en 1994, D.X._, née en 1996 et E.X._, née en 2003, tous trois ressortissants du Kosovo. Selon les explications fournies en procédure, la demande a été déposée par B.X._. La requête était accompagnée des actes de naissance des enfants du 20 novembre 2007, tirés d'inscriptions respectivement du 28 décembre 2006 (C.X._, D.X._) et du 9 janvier 2007 (E.X._) et fondés sur des décisions respectivement du 27 décembre 2006 (C.X._, D.X._) et du 21 décembre 2006 (E.X._). Selon ces actes, le père des enfants est A.X._. Le Service de la population du canton de Vaud a requis le 2 juin 2008 une enquête visant à élucider la situation des intéressés au vu des circonstances qui précèdent. La police a ainsi procédé à l'audition de l'ex-épouse d'origine suisse (13 août 2008), ainsi que de A.X._ et de B.X._ (28 août 2008). Le 18 décembre 2008, B.X._ a relancé le Service de la population, en expliquant que sa fille D.X._, gravement malade depuis quelques mois, était hospitalisée et n'avait que sa grand-mère, elle-même très faible. Elle a produit un rapport médical cardiologique du 11 décembre 2008 faisant état de "febris rheumatica" chez cette enfant. Après avoir donné à B.X._ la possibilité de s'exprimer, le Service de la population a, par décision du 28 avril 2009, refusé de délivrer l'autorisation d'entrée et de séjour sollicitée en faveur des enfants C.X._, D.X._ et E.X._. Ce prononcé est entré en force. B. Le 1er juin 2010, le Bureau des étrangers de Lausanne a enregistré l'arrivée le 15 août 2009, sans visa, des enfants C.X._, D.X._ et E.X._. Dans un courrier du 31 mai 2010, A.X._ a exposé que sa fille cadette D.X._ était brusquement tombée malade. Vu sa "situation favorable" en Suisse et l'"impossibilité de séjour" de ses enfants au Kosovo, il s'était dépêché de les faire venir en Suisse dans les plus brefs délais. Il requérait ainsi un titre de séjour en leur faveur. Le 13 juillet 2010, le Service de la population a informé A.X._ et B.X._ de son intention de ne pas autoriser le regroupement familial sollicité en faveur des trois enfants. Les intéressés se sont déterminés dans un courrier du 29 juillet 2010, où ils ont notamment évoqué la naissance de leur fils F.X._, en 2010. Par décision du 23 août 2010, le Service de la population a refusé de délivrer une autorisation de séjour en faveur des enfants C.X._, D.X._ et E.X._ et ordonné leur renvoi de Suisse. Agissant tant en leur nom qu'en celui de leurs trois enfants C.X._, D.X._ et E.X._, A.X._ et B.X._ ont déféré cette décision à la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal). Entre autres mesures d'instruction, le Tribunal cantonal a mis en oeuvre une expertise ADN. Il en ressort que A.X._ et B.X._ sont bien les parents biologiques de C.X._, D.X._ et E.X._. Par arrêt du 23 mars 2011, le Tribunal cantonal a rejeté le recours. Il n'a pas tranché la question de savoir si la nouvelle demande de regroupement familial du 30 mai/1er juin 2010 était admissible comme demande de réexamen, en considérant qu'elle devait de toutes manières être rejetée. En effet, s'agissant des enfants C.X._ et D.X._, la demande était tardive, faute d'avoir été déposée dans le délai de douze mois échéant le 31 décembre 2008. Le regroupement pouvait dès lors seulement être accordé pour des raisons familiales majeures, lesquelles n'étaient pas avérées en l'espèce. En outre, A.X._ et B.X._ avaient dissimulé leurs trois enfants aux autorités de police des étrangers, ce qui, en vertu des art. 51 al. 2 et 62 let. a de la loi fédérale du 16 décembre 2005 sur les étrangers (LEtr; RS 142.20), conduisait au refus du regroupement familial, aussi à l'égard de l'enfant E.X._, pour qui la demande avait été formée dans le délai. C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public et du recours constitutionnel subsidiaire, A.X._ et B.X._, ainsi que C.X._, D.X._ et E.X._, demandent au Tribunal fédéral, sous suite de frais et dépens, d'annuler l'arrêt du 23 mars 2011 et d'admettre le regroupement familial en faveur des enfants prénommés. A titre préalable, ils requièrent que leur recours soit doté de l'effet suspensif. Ils demandent également à bénéficier de l'assistance judiciaire. L'autorité précédente s'en remet à justice quant à la recevabilité du recours et conclut à son rejet sur le fond. Le Service de la population renonce à se déterminer. L'Office fédéral des migrations propose de rejeter le recours. Par ordonnance présidentielle du 10 mai 2011, la requête d'effet suspensif a été admise.