Faits: A. A.a A._ Sàrl, sise en France, fait partie du groupe B._. Cette société a trois filiales suisses, à savoir Y._ Sàrl, C._ Sàrl et D._ Sàrl. A.b A._ Sàrl a fondé avec X._ une société suisse E._ SA, dans laquelle la première détenait 55 % des parts et le second 45 %. Par protocole d'accord du 5 avril 2005 soumis au droit et aux tribunaux français, X._ a concédé à sa partenaire une option d'achat exclusive et irrévocable sur ses parts, la cession devant intervenir au plus tard le 30 juin 2009; il s'est en outre astreint à une obligation de loyauté envers son employeur durant toute l'exécution du contrat et durant toute la période de collaboration avec le groupe B._. Par contrat du 15 septembre 2005 soumis au droit suisse, X._ a été engagé par E._ SA en qualité de directeur général avec effet au 1er septembre 2005. La durée de travail était de 42 heures au minimum, répartie sur cinq jours par semaine. X._ s'engageait à consacrer tout son temps de travail à la société et à défendre loyalement les intérêts légitimes de cette dernière. Il s'interdisait, sauf accord préalable écrit, de s'intéresser d'une quelconque manière à toute entreprise susceptible de faire concurrence à la société (art. 5). A compter du 1er août 2007, X._ a travaillé en qualité de directeur général pour le compte de Y._ Sàrl. Depuis cette date, il a également dirigé C._ Sàrl et D._ Sàrl tout en continuant à gérer E._ SA. Sa rémunération est restée la même et il a pu bénéficier du solde de vacances dont il disposait auprès de E._ SA. Aucun contrat de travail n'a été signé. Par lettre d'objectifs du 9 novembre 2007, X._ s'est vu octroyer le droit à une prime pour la période du 1er juillet 2007 au 31 décembre 2008, soit une rémunération brute variable calculée en fonction des résultats des trois filiales suisses du groupe B._. A.c X._ est devenu actionnaire de la société suisse F._ SA créée le *** 2008. Il a reçu des courriels adressés aux "membres du Board" et a participé à quatre réunions du conseil d'administration de cette société entre le 17 avril et le 2 septembre 2008. En juillet 2008, il a proposé à une personne dont l'adresse électronique se terminait par "E._.ch" d'envoyer son curriculum vitae au directeur général de F._ SA. Par lettre du 10 octobre 2008, X._ a informé B._ SA, soit la société-mère de A._ Sàrl, du fait que D._ Sàrl employait une ressortissante étrangère sans permis de travail. Il précisait ne pas avoir été consulté ni averti de cette situation, dont il demandait la régularisation dans les cinq jours. Dans un courrier du 17 octobre 2008, X._ s'est plaint auprès de Y._ Sàrl des deux événements suivants: d'une part, une employée avait été mutée de l'étranger dans cette société sans qu'il en ait été informé, alors qu'une telle décision entrait dans ses prérogatives; d'autre part, des rumeurs circulaient selon lesquelles il pourrait prochainement cesser d'être directeur général. Il demandait que toute disposition nécessaire soit prise afin de rétablir la situation dans la société et d'assurer la protection de sa personnalité. Le 27 octobre 2008, B._ SA a écrit à X._ avoir récemment appris la création de F._ SA, dont les prestations étaient directement concurrentes à celles des sociétés du groupe B._ en Suisse. Il lui était notamment apparu que X._ se rendait régulièrement à des réunions au rythme moyen d'un après-midi par semaine. B._ SA se référait à un entretien du 1er octobre 2008 en rappelant qu'à cette occasion, elle lui avait clairement indiqué être au courant de ses activités parallèles. En définitive, elle s'interrogeait sur l'intérêt réel que X._ portait aux sociétés du groupe B._ et sur sa loyauté envers elles. Le 30 octobre 2008, Y._ Sàrl a licencié X._ avec effet au 31 décembre 2008 et l'a immédiatement libéré de son obligation de travailler. Le 6 novembre 2008, X._ a informé Y._ Sàrl du fait qu'il s'était trouvé en incapacité de travail du 30 octobre au 5 novembre 2008 et a annoncé qu'il se présenterait le jour même sur son lieu de travail pour offrir ses services, ce qu'il a fait; il a alors constaté que ses accès aux répertoires des sociétés du groupe avaient été supprimés le jour même. Y._ Sàrl a repoussé les effets du congé au 31 janvier 2009. Par lettre du 14 novembre 2008, A._ Sàrl, en sa qualité d'associée unique de Y._ Sàrl, a exposé à X._ les motifs justifiant son licenciement, à savoir: - une diminution du chiffre d'affaires, des effectifs et du nombre de projets des sociétés du groupe, s'expliquant par l'absence d'encadrement des équipes commerciales et de stratégie de développement; - une désorganisation progressive au sein de Y._ Sàrl, en raison d'un manque de gestion rigoureuse des ressources humaines et d'absences fréquentes de X._, qui avait ainsi démotivé ses équipes et provoqué le départ progressif des managers; - un abandon de la gestion de Y._ Sàrl et de C._ Sàrl au profit des sociétés E._ dont il était actionnaire. X._ a contesté son congé par courrier du 16 décembre 2008. Il a engagé une poursuite n° *** à l'encontre de Y._ Sàrl en lui faisant notifier, le 19 mars 2009, un commandement de payer la somme de 257'526 fr. à titre de prime d'objectifs due en vertu de la lettre du 9 novembre 2007. Y._ Sàrl a fait opposition. Le 8 juin 2009, X._ a créé une société de conseil et d'accompagnement à l'ouverture et l'implantation de succursales ou filiales en Suisse. B. B.a Le 30 juillet 2009, X._ a ouvert action contre Y._ Sàrl devant le Tribunal de prud'hommes du canton de Genève. Par jugement du 28 juillet 2010, cette juridiction a condamné la défenderesse à payer au demandeur respectivement 137'912 fr. 60 brut à titre de prime d'objectifs, 1'149 fr. 70 brut à titre de solde de salaire et 40'000 fr. à titre d'indemnité pour licenciement abusif. La mainlevée définitive de l'opposition au commandement de payer n° *** a été prononcée à concurrence de 137'912 fr. 60 brut. B.b Y._ Sàrl a fait appel de ce jugement en concluant au rejet de l'action. Par appel incident, X._ a conclu au paiement de 257'526 fr. brut à titre de prime d'objectifs, à la mainlevée définitive de l'opposition à concurrence de ce montant et à la confirmation du jugement pour le surplus. Par arrêt du 20 mai 2011, la Chambre des prud'hommes de la Cour de justice a condamné l'appelante à payer 24'184 fr. brut à titre de prime d'objectifs, dont à déduire les cotisations légales et usuelles, et a prononcé la mainlevée de l'opposition à concurrence de la somme brute précitée. Elle a confirmé l'allocation d'un solde de salaire de 1'149 fr. 70 mais a supprimé l'indemnité de 40'000 fr. pour licenciement abusif. C. X._ (ci-après: le recourant) interjette un recours en matière civile auprès du Tribunal fédéral. Il conclut au paiement de 257'526 fr. à titre de prime d'objectifs, à la mainlevée définitive de l'opposition au commandement de payer n° *** à concurrence du montant brut précité, ainsi qu'à l'octroi d'une indemnité pour licenciement abusif de 127'600 fr. Il conclut à la confirmation de l'arrêt attaqué en tant qu'il a trait au solde de salaire de 1'149 fr. 70. Y._ Sàrl (ci-après: l'intimée) conclut au rejet du recours. L'autorité précédente se réfère à son arrêt. Un deuxième échange d'écritures a eu lieu, à l'issue duquel il a été indiqué qu'aucune écriture supplémentaire ne serait prise en considération.