Sachverhalt:
A. Am 7. Mai 2010 erstattete X._ bei der Kantonspolizei Zürich telefonisch Strafanzeige gegen Y._ wegen Entziehens von Unmündigen (Art. 220 StGB) und Hausgenossendiebstahls (Art. 139 Ziff. 4 StGB) und unterzeichnete am 26. Juli 2010 einen entsprechenden Strafantrag. X._ wirft Y._ konkret vor, am 7. Mai 2010 den gemeinsamen Sohn Z._, geboren am 17. Juli 2008, aus der gemeinsamen Wohnung in Kloten mitgenommen und nach Berlin zu ihren Eltern verbracht zu haben. Zudem habe Y._ diverse ihr nicht zustehende Möbel, Kleider und Gegenstände aus der gemeinsamen Wohnung mitgenommen. Den Strafantrag betreffend Hausgenossendiebstahl zog X._ in der Folge am 17. November 2010 zurück.
Die auf die Strafanzeige und den Strafantrag hin angehobene Strafuntersuchung wurde von der Staatsanwaltschaft Winterthur/Unterland mit Verfügung vom 22. November 2010 eingestellt.
Gegen diese Einstellungsverfügung erhob X._ Rekurs ans Obergericht des Kantons Zürich. Mit Beschluss vom 13. April 2011 wies das Obergericht den Rekurs ab. Das Gericht kam zusammenfassend zum Schluss, Y._ könne kein im Sinne von Art. 220 StGB vorsätzliches und damit kein strafbares Verhalten nachgewiesen werden. Darüber hinaus fehle es für das Verhalten von Y._ nach dem 26. Juli 2010 an einem rechtsgültigen Strafantrag. Folglich habe die Staatsanwaltschaft die Strafuntersuchung zu Recht eingestellt.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen ans Bundesgericht vom 18. Mai 2011 beantragt X._ sinngemäss, den Beschluss des Obergerichts vom 13. April 2011 aufzuheben und die Sache zur weiteren Behandlung an die Staatsanwaltschaft zurückzuweisen. Des Weiteren stellt er den Antrag, ihm sei die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.
Das Obergericht verzichtet auf eine Stellungnahme. Y._ hat eine Vernehmlassung eingereicht, ohne Anträge zu stellen. Die Staatsanwaltschaft hat sich innert Frist nicht vernehmen lassen. Mit Schreiben vom 28. Juli 2011 macht der Beschwerdeführer weitere Angaben zu seinen wirtschaftlichen Verhältnissen. In seiner Eingabe vom 22. August 2011 hält der Beschwerdeführer an seinem Standpunkt fest.
Erwägungen:
1. 1.1 Die Einstellungsverfügung erging am 22. November 2010 nach der bis Ende 2010 in Kraft stehenden Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (StPO/ZH). Am 1. Januar 2011 trat die Schweizerische Strafprozessordnung vom 5. Oktober 2007 (StPO; SR 312.0) in Kraft, welche die kantonalen Strafprozessordnungen ablöst. Nach der einschlägigen Übergangsbestimmung von Art. 453 Abs. 1 StPO ist auf Rechtsmittel gegen vor dem 1. Januar 2011 gefällte Entscheide das bisherige Recht anwendbar. Das Obergericht beurteilte den Rekurs am 13. April 2011 daher zu Recht nach den Bestimmungen der StPO/ZH, welche auch für die vorliegende Beschwerde massgebend sind (Art. 454 Abs. 2 StPO). Gemäss der StPO/ZH steht kein kantonales Rechtsmittel zur Verfügung. Es liegt ein Endentscheid im Sinne von Art. 80 Abs. 1 und Art. 90 BGG vor.
1.2 Die Beschwerdelegitimation beurteilt sich nach Art. 81 BGG. Diese Bestimmung ist mit Wirkung ab 1. Januar 2011 teilweise geändert worden. Gemäss der Übergangsbestimmung von Art. 132 Abs. 1 BGG ist das Datum des angefochtenen Entscheids massgebend. Dieser ist am 13. April 2011 ergangen, weshalb vorliegend die ab dem 1. Januar 2011 geltende Fassung von Art. 81 BGG Anwendung findet.
Gemäss Art. 81 Abs. 1 BGG ist zur Beschwerde in Strafsachen legitimiert, wer vor der Vorinstanz am Verfahren teilgenommen (lit. a) und ein rechtlich geschütztes Interesse an der Aufhebung oder Änderung des angefochtenen Entscheids hat, insbesondere die Privatklägerschaft, wenn der angefochtene Entscheid sich auf die Beurteilung ihrer Zivilansprüche auswirken kann (lit. b Ziff. 5).
Richtet sich die Beschwerde gegen einen den Einstellungsbeschluss bestätigenden Gerichtsentscheid, ist es nicht notwendig, dass die Privatklägerschaft bis zu diesem Zeitpunkt im Strafverfahren bereits Zivilforderungen geltend gemacht hat. Allerdings trifft sie gemäss Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG eine Begründungspflicht, das heisst, die Privatklägerschaft hat - sofern dies nicht offensichtlich ist - in ihrer Beschwerde darzulegen, inwiefern sich der angefochtene Entscheid auf eine konkrete Zivilforderung auswirken kann (vgl. Urteil des Bundesgerichts 1B_226/2011 vom 29. Juni 2011 E. 1.2 mit Hinweisen).
Dieser Begründungspflicht ist der Beschwerdeführer nicht nachgekommen. Er setzt sich in seiner Beschwerde nicht mit den Voraussetzungen von Art. 81 Abs. 1 lit. b Ziff. 5 BGG auseinander und zeigt nicht auf, inwiefern sich die Einstellung des Strafverfahrens wegen des Tatbestands des Entziehens von Unmündigen gemäss Art. 220 StGB auf seine Zivilansprüche auswirken könnte. Dies ist auch nicht ersichtlich.
1.3 Ist der Beschwerdeführer - wie im zu beurteilenden Fall - nach Art. 81 Abs. 1 lit. b Ziff. 5 BGG in der Sache selbst nicht zur Beschwerde legitimiert, so kann er lediglich die Verletzung von Rechten rügen, die ihm als am Verfahren beteiligte Partei nach dem massgebenden Prozessrecht oder unmittelbar aufgrund der BV oder der EMRK zustehen (BGE 136 IV 29 E. 1.9 S. 40 mit Hinweisen). Das nach Art. 81 Abs. 1 lit. b BGG erforderliche rechtlich geschützte Interesse ergibt sich diesfalls nicht aus einer Berechtigung in der Sache, sondern aus der Berechtigung, am Verfahren teilzunehmen. Zulässig sind dementsprechend Rügen formeller Natur, die von der Prüfung der Sache selber getrennt werden können. Nicht zu hören sind Rügen, die im Ergebnis auf eine materielle Überprüfung des angefochtenen Entscheids abzielen ("Star-Praxis"; 133 I 185 E. 6.2 S. 198 ff.).
Der Beschwerdeführer erhebt in seiner Beschwerde keine Verfahrensrügen im Sinne der umschriebenen "Star-Praxis".
2. Auf die Beschwerde ist somit mangels Legitimation des Beschwerdeführers nicht einzutreten. Da das Rechtsmittel von vornherein aussichtslos war, kann dem Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege nicht entsprochen werden (Art. 64 Abs. 1 BGG). Die Kosten des Verfahrens vor Bundesgericht sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Dabei ist seinen finanziellen Verhältnissen Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG). Der nicht anwaltlich vertretenen Beschwerdegegnerin ist keine Parteientschädigung zuzusprechen (Art. 68 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Auf die Beschwerde wird nicht eingetreten.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 500.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, der Staatsanwaltschaft Winterthur/Unterland, Zweigstelle Flughafen, und dem Obergericht des Kantons Zürich, III. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 26. August 2011
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Fonjallaz
Der Gerichtsschreiber: Stohner