Faits: A. G._ (né en 1958) s'est vu refuser trois fois des prestations de l'assurance-invalidité, alors que des mesures de réadaptation d'ordre professionnel allouées en 1998 et 1999 n'ont pas pu être menées à terme. Le 18 novembre 2004, il s'est à nouveau adressé à l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI), en produisant un rapport établi le 27 octobre 2004 par le docteur M._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique. L'administration a refusé d'entrer en matière, au motif que l'assuré n'avait pas rendu plausible une aggravation de son état de santé (décision du 27 avril 2006). G._ s'est opposé à cette décision en s'appuyant sur un rapport rendu le 11 mai 2006 par le docteur O._, médecin auprès du Centre hospitalier X._. Admettant l'opposition de l'intéressé (décision sur opposition du 13 décembre 2007), l'office AI a chargé le docteur A._, spécialiste FMH en médecine interne et rhumatologie, de son Service médical régional (SMR) d'examiner l'intéressé. Le médecin a diagnostiqué une gonarthrose bilatérale avec foyer ostéochondritique du condyle fémoral interne DDC (M17), une arthrose tibio-astragalienne et médio-tarsienne gauche avec status après arthodèse astragalo-calcanéenne consolidée en bonne position (M19.1) et des lombosciatalgies gauche dans le cadre de troubles statiques et de discrets troubles dégénératifs du rachis (M54.4); il a conclu à une incapacité totale de travail dans l'activité de cuisinier depuis 1993, mais à une capacité de travail complète dans une activité strictement adaptée aux limitations fonctionnelles décrites (rapport du 19 février 2008). Après qu'une mesure d'observation professionnelle a été interrompue en raison de problèmes psychiques de l'assuré attestés par le docteur B._, spécialiste FMH en psychiatrie, qui a indiqué un état dépressif important et préconisé une expertise psychiatrique (certificat du 18 septembre 2008 et rapport du 5 novembre 2008), l'office AI a mandaté le docteur U._, spécialiste FMH en psychiatrie, du SMR à cette fin. Dans son rapport du 25 février 2009, le psychiatre a conclu que G._ ne présentait aucun trouble psychiatrique ayant une répercussion sur la capacité de travail, l'épisode dépressif moyen dont il souffrait étant en rémission fin 2008 et n'influençant pas la capacité de travail. Fort de ces conclusions, l'office AI a, par décision du 21 août 2009, nié le droit de l'assuré à une rente, motif pris d'un degré d'invalidité (de 9.89 %) insuffisant pour fonder une telle prétention. B. Statuant le 6 avril 2011 sur le recours formé par G._ contre cette décision, le Tribunal cantonal, Cour des assurances sociales, du canton de Vaud l'a rejeté. C. G._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement. Sous suite de frais et dépens, il conclut principalement à sa réforme en ce sens qu'une rente entière d'invalidité lui soit allouée et la décision du 21 août 2009 annulée. A titre subsidiaire, il conclut à l'annulation du jugement entrepris. Le Tribunal fédéral a renoncé à procéder à un échange d'écritures.