Faits:
A. Par jugement du 17 décembre 2010, le Tribunal de police de l'arrondissement de Lausanne a condamné X._, pour violation d'une obligation d'entretien, à la peine de cent-soixante jours-amende, le montant du jour-amende étant fixé à 40 fr., avec sursis durant quatre ans, le sursis étant subordonné à l'obligation de s'acquitter régulièrement et ponctuellement de l'obligation d'entretien mise à sa charge.
B. Par arrêt du 17 janvier 2011, la Cour de cassation pénale du Tribunal cantonal vaudois a rejeté le recours de X._ et a confirmé le jugement.
Il est reproché à X._ de ne pas s'être acquitté des contributions mensuelles pour l'entretien de son épouse et de ses deux enfants fixées à 750 fr. par mois selon ordonnance de mesures provisoires du 25 mai 2001 du Président du Tribunal d'arrondissement de Lausanne et arrêt du 7 juin 2004 du Tribunal d'arrondissement de Lausanne. De mars 2002 à mars 2008, X._, qui vit à Londres, a cessé toute activité professionnelle pour reprendre des études. Une capacité de gain de 5'166 fr. par mois lui a été imputée sur cette période. Dès avril 2008, il a perçu un salaire mensuel de 2'056 £, ce qui correspond à environ 3'600 francs.
C. X._ forme un recours en matière pénale contre l'arrêt cantonal. Il conclut, sous suite de dépens, principalement à sa réforme en ce sens qu'il est acquitté, subsidiairement à son annulation. Il sollicite par ailleurs l'assistance judiciaire.
Invités à se déterminer, la cour cantonale et le Ministère public se sont référés à l'arrêt attaqué. L'intimée Y._ a conclu au rejet du recours.
Considérant en droit:
1. Rendu en matière pénale (art. 78 al. 1 LTF), par une autorité cantonale de dernière instance (art. 80 al. 1 LTF), l'arrêt attaqué peut faire l'objet d'un recours en matière pénale (art. 78 ss LTF).
2. Le recourant soutient que l'autorité cantonale a arbitrairement admis qu'il aurait pu se procurer un revenu mensuel de 5'166 fr. jusqu'en mars 2008. Il relève que ce montant a été retenu en référence à l'ordonnance de mesures provisoires du 25 mai 2001 et à l'arrêt du 7 juin 2004. Il explique que ces décisions avaient pris pour base le salaire qu'il touchait avant de recommencer des études, soit 1'672 £, ce qui donnait 4'180 fr. au taux de conversion de 2.5. A ce montant avaient été ajoutés 394.44 £, soit 986 fr., correspondant aux impôts prélevés à la source, ce qui aboutissait à un revenu total de 5'166 fr. (4'180 fr. + 986 fr.). Le recourant conteste la prise en compte des impôts à la source.
2.1 2.1.1 En vertu de l'art. 217 al. 1 CP, celui qui n'aura pas fourni les aliments ou les subsides qu'il doit en vertu du droit de la famille, quoiqu'il en eût les moyens ou pût les avoir, sera, sur plainte, puni d'une peine privative de liberté de trois ans au plus ou d'une peine pécuniaire. Pour que l'art. 217 CP soit applicable, il faut que le débiteur ait eu ou pu avoir les moyens de satisfaire à son obligation d'entretien. Sa capacité économique de verser la contribution d'entretien se détermine par analogie avec le droit des poursuites relatif au minimum vital (art. 93 LP; ATF 121 IV 272 consid. 3c p. 277).
2.1.2 Une décision est arbitraire et donc contraire à l'art. 9 Cst. lorsqu'elle viole clairement une norme ou un principe juridique clair et indiscuté ou contredit de manière choquante le sentiment de la justice et de l'équité. Le Tribunal fédéral ne s'écarte de la solution retenue par l'autorité cantonale de dernière instance que si sa décision apparaît insoutenable, en contradiction manifeste avec la situation effective, adoptée sans motifs objectifs ou en violation d'un droit certain. En outre, il ne suffit pas que les motifs de la décision soient insoutenables. Il faut encore que celle-ci soit arbitraire dans son résultat (ATF 135 V 2 consid. 1.3 p. 4 s.; 134 I 140 consid. 5.4 p. 148).
2.1.3 Le juge pénal est lié par la contribution d'entretien fixée par le juge civil (ATF 106 IV 36; arrêt 6B_1057/2009 du 17 juin 2010 consid. 1.2). En revanche, la question de savoir quelles sont les ressources qu'auraient pu avoir le débiteur d'entretien - ce qui relève de l'appréciation des preuves et de l'établissement des faits (cf. CORBOZ, Les infractions en droit suisse, 3ème éd., 2010, n. 28 ad art. 217 CP) - doit être tranchée par le juge pénal s'agissant d'une condition objective de punissabilité au regard de l'art. 217 CP. Le juge pénal peut certes se référer à des éléments pris en compte par le juge civil. Il doit cependant concrètement établir la situation financière du débiteur, respectivement celle qui aurait pu être la sienne en faisant les efforts pouvant raisonnablement être exigés de lui.
2.2 La cour cantonale s'est référée aux décisions civiles précitées des 25 mai 2001 et 7 juin 2004 sans discuter de l'argumentation du recourant. Il incombait à la cour cantonale de déterminer si le recourant avait ou aurait pu avoir les ressources nécessaires à satisfaire son obligation d'entretien. Pour déterminer le salaire imputable au recourant, il a été pris en compte le salaire qu'il réalisait avant de cesser son activité professionnelle et de recommencer des études, soit 1'672 £. Cette approche ne prête pas le flanc à la critique. Il a été ajouté à ce montant celui des impôts retenus à la source. Or, dès lors qu'il s'agit de déterminer quelles ressources le recourant aurait été à même d'obtenir, l'ajout des impôts retenus à la source n'est pas soutenable. Peu importe ici les motifs qui ont conduit les instances civiles à inclure les impôts retenus à la source dans les décisions des 25 mai 2001 et 7 juin 2004, auxquelles s'est référée la cour de cassation cantonale. Sur un plan pénal, seules les ressources concrètes qu'auraient pu se procurer le recourant sont déterminantes. Or, à l'évidence, le montant retenu à la source échappe à toute disponibilité pour le recourant. Il est donc arbitraire de l'avoir inclus dans les ressources imputées à celui-ci. Ce point étant susceptible d'influer sur le disponible dont aurait pu bénéficier le recourant, la solution de la cour cantonale apparaît également arbitraire dans son résultat. Le recours doit être admis à cet égard.
3. 3.1 Le recourant prétend qu'au regard du revenu susceptible de lui être imputé jusqu'en mars 2008, soit 1'672 £, et de celui qu'il touche concrètement depuis avril 2008, soit 2'056 £, il lui est impossible de verser une pension sans atteinte à son minimum vital. Il se plaint d'une violation de l'art. 93 LP.
3.2 La cour cantonale s'est limitée à dire que faute d'avoir fourni les efforts que le recourant devait consentir pour réaliser un revenu suffisant, il ne pouvait se prévaloir d'une éventuelle atteinte à son minimum vital (cf. arrêt p. 11). Cette approche est elle aussi arbitraire. Comme déjà indiqué (supra consid. 2.1.1), la capacité économique de verser la contribution d'entretien se détermine par analogie avec le droit des poursuites relatif au minimum vital. Cela vaut en particulier dans le cas d'espèce dès lors que le revenu imputé au recourant jusqu'en mars 2008 et celui effectif ensuite ne sont pas d'une ampleur telle que l'on puisse d'emblée admettre l'existence d'un disponible une fois les charges déduites. La cour cantonale aurait donc dû déterminer les charges admissibles, puis les déduire du revenu imputé jusqu'en mars 2008 et de celui effectif ensuite, ce qui aurait permis de vérifier s'il existait ou non un disponible durant ces périodes. A défaut d'avoir procédé de la sorte, l'établissement des faits relativement à la capacité du recourant de fournir la prestation ne peut qu'être taxée d'arbitraire. Le recours est bien fondé à cet égard.
3.3 Le recourant se plaint aussi d'arbitraire dans la prise en compte d'indemnités de chômage qu'il a renoncé à percevoir.
En première instance, le juge avait reproché au recourant d'avoir renoncé à percevoir des indemnités de chômage dès mars 2002 alors qu'il aurait pu obtenir un montant équivalant à environ 430 fr. par mois et qu'il convenait ainsi de considérer qu'il aurait été en mesure de s'acquitter d'un tel montant comme pension à son épouse. La cour cantonale a évoqué cette motivation, mais son arrêt ne permet guère de savoir si elle l'a fait sienne (cf. arrêt p. 10/11). Quoi qu'il en soit, dès lors que pour la période de mars 2002 à mars 2008, il a été imputé au recourant le revenu qu'il aurait pu se procurer en considération du salaire qui était le sien avant qu'il recommence des études, il était incohérent d'évoquer simultanément les indemnités de chômage que le recourant aurait pu obtenir sur cette période. En outre, comme indiqué ci-dessus (consid. 3.2), à défaut d'avoir établi les charges admissibles, il était arbitraire de considérer que les indemnités de chômage aient pu constituer un disponible.
4. Il résulte de ce qui précède que le recours doit être admis, l'arrêt attaqué annulé et la cause renvoyée à l'autorité cantonale. Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire de traiter les autres griefs du recourant qui ont trait à l'application de l'art. 217 CP et à la fixation de la peine.
5. Le recourant obtient gain de cause. Vu le sort du recours, les frais judiciaires sont mis pour moitié à la charge de l'intimée Y._, le canton de Vaud n'ayant pas à en supporter (art. 66 al. 1 et 4 LTF). Le recourant peut prétendre à une indemnité de dépens, à la charge du canton de Vaud et de l'intimée pour moitié chacun (art. 68 al. 1 et 2 LTF), ce qui rend sans objet la requête d'assistance judiciaire.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est admis, l'arrêt attaqué est annulé et la cause est renvoyée à la cour cantonale afin qu'elle rende une nouvelle décision au sens des considérants.
2. Les frais judiciaires sont mis pour moitié à la charge de l'intimée Y._, soit 1'000 francs.
3. Les dépens du recourant, arrêtés à 3'000 fr., sont mis pour moitié à la charge du canton de Vaud et pour moitié à la charge de l'intimée Y._.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de cassation pénale.
Lausanne, le 19 juillet 2011
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Mathys Rey-Mermet