Erwägungen:
1. 1.1 Der pakistanische Staatsangehörige X._ (geb. 1973) reiste Ende 2002 illegal in die Schweiz ein und ersuchte erfolglos um Asyl. Am 20. August 2003 heiratete er eine in der Schweiz niedergelassene deutsche Staatsangehörige, worauf ihm eine Aufenthaltsbewilligung erteilt wurde. Das Migrationsamt des Kantons Zürich verweigerte am 17. August 2005 die Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung von X._ wegen Scheinehe. Am 11. Dezember 2006 (rechtskräftig am 10. Januar 2007) wurde die Ehe geschieden.
Während des gegen die Bewilligungsverweigerung eingeleiteten Rekursverfahrens heiratete X._ am 23. Mai 2007 die Schweizerin Y._ (geb. 1974). Aufgrund dieser Ehe wurde ihm erneut eine Aufenthaltsbewilligung erteilt, worauf er den hängigen Rekurs zurückzog. Am 26. Januar 2008 wurde die eheliche Gemeinschaft aufgegeben.
1.2 Mit Verfügung vom 23. November 2009 verweigerte die Sicherheitsdirektion (Migrationsamt) des Kantons Zürich die Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung und wies X._ aus der Schweiz weg. Die dagegen beim Regierungsrat und in der Folge beim Verwaltungsgericht des Kantons Zürich erhobenen Rechtsmittel blieben ohne Erfolg.
1.3 Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 10. November 2010 beantragt X._, den Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 6. Oktober 2010 aufzuheben und ihm die Aufenthaltsbewilligung zu verlängern, eventualiter die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Sein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. wurde mit Verfügung der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung vom 15. November 2010 abgewiesen. Mit Verfügung vom 6. Dezember 2010 erteilte der Abteilungspräsident der Beschwerde antragsgemäss aufschiebende Wirkung.
Das Verwaltungsgericht verzichtet auf Vernehmlassung. Die Sicherheitsdirektion und der Regierungsrat des Kantons Zürich liessen sich nicht vernehmen. Das Bundesamt für Migration schliesst auf Abweisung der Beschwerde.
2. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten ist offensichtlich unbegründet, weshalb sie im Verfahren nach Art. 109 Abs. 2 lit. a BGG mit summarischer Begründung abgewiesen wird.
2.1 Unbestritten ist, dass der Beschwerdeführer seit der Aufgabe der ehelichen Wohngemeinschaft keinen Anspruch auf Verlängerung seiner Aufenthaltsbewilligung mehr aus Art. 42 Abs. 1 des auf den 1. Januar 2008 in Kraft getretenen, hier anwendbaren Bundesgesetzes vom 16. Dezember 2005 über die Ausländerinnen und Ausländer (AuG; SR 142.20) herleiten kann. Diese Bestimmung setzt grundsätzlich voraus (hier nicht behauptete Konstellationen im Sinne von Art. 49 AuG ausgenommen), dass der ausländische Ehegatte mit seinem schweizerischen Ehepartner zusammenwohnt.
Der Bewilligungsanspruch besteht trotz Auflösens bzw. definitiven Scheiterns der Ehegemeinschaft fort, wenn diese mindestens drei Jahre gedauert und die betroffene ausländische Person sich hier erfolgreich integriert hat (Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG; BGE 136 II 113 E. 3.3.1 und 3.3.3) oder wenn wichtige persönliche Gründe einen weiteren Aufenthalt in der Schweiz erforderlich machen (Art. 50 Abs. 1 lit. b in Verbindung mit Abs. 2 AuG).
Auf diese Anspruchsgrundlage beruft sich der Beschwerdeführer und macht geltend, die Voraussetzungen hierfür seien erfüllt, weshalb die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten grundsätzlich zulässig ist (Art. 83 lit. c Ziff. 2 BGG a contrario). Ob die in Art. 50 AuG statuierten Voraussetzungen für eine Bewilligungsverlängerung erfüllt sind, bildet Gegenstand der materiellen Beurteilung (vgl. Urteile 2C_521/2010 vom 30. November 2010 E. 1.1; 2C_304/2009 vom 9. Dezember 2009 E. 1.1, nicht publ. in: BGE 136 II 113).
2.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt zugrunde (Art. 105 Abs. 1 BGG), es sei denn, dieser sei offensichtlich unrichtig oder beruhe auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG (Art. 105 Abs. 2 bzw. Art. 97 Abs. 1 BGG). Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (Art. 99 Abs. 1 BGG).
Die vom Beschwerdeführer eingereichten neuen Belege, die erst nach Erlass des angefochtenen Entscheids erstellt wurden, sowie die nachträglich ausgesprochene Ehescheidung können als echte Noven im vorliegenden Beschwerdeverfahren nicht berücksichtigt werden; sie vermöchten indessen am Ausgang des Verfahrens ohnehin nichts zu ändern.
3. 3.1 Die Voraussetzungen nach Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG sind vorliegend offensichtlich nicht erfüllt.
Aus seiner früheren Ehe mit einer deutschen Staatsangehörigen kann der Beschwerdeführer schon deshalb nichts zu seinen Gunsten ableiten, weil es sich dabei um eine Scheinehe handelte. Ob der Beschwerdeführer andere Absichten gehabt und eine echte Ehe gewollt hatte, wie er behauptet, ist angesichts seiner eigenen Aussage, seine damalige Ehefrau habe nie eine Ehe eingehen wollen, irrelevant. Die Vorinstanz durfte ohne weiteres auf die Vorakten abstellen, und von einer Verletzung des rechtlichen Gehörs kann - nachdem sich die Vorinstanz auf die Vorbringen des Beschwerdeführers bzw. seines damaligen Rechtsvertreters stützt - keine Rede sein.
Die eheliche Gemeinschaft mit der schweizerischen Ehegattin hat bloss acht Monate (23. Mai 2007 bis 26. Januar 2008) gedauert. Für eine nach der Trennung weiter bestehende Ehegemeinschaft sprechende Anhaltspunkte sind weder dargetan noch ersichtlich. Die schweizerische Ehefrau erklärte vielmehr bereits Ende Mai 2008, mit einer Wiederaufnahme der ehelichen Gemeinschaft könne auf gar keinen Fall gerechnet werden, und ging in der Folge eine neue Beziehung ein. Die nach Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG erforderliche dreijährige Mindestdauer der Ehegemeinschaft ist damit klar nicht erreicht. Ob der Beschwerdeführer erfolgreich integriert ist, spielt unter diesen Umständen keine Rolle mehr (vgl. BGE 136 II 113 E. 3.4 S. 120).
3.2 Bei der Anwendung von Art. 50 Abs. 1 lit. b AuG ist entscheidend, ob die persönliche, berufliche und familiäre Wiedereingliederung der betroffenen ausländischen Person bei einer Rückkehr in ihre Heimat als stark gefährdet zu gelten hätte und nicht, ob ein Leben in der Schweiz einfacher wäre und von ihr bevorzugt würde (Urteil 2C_216/2009 vom 20. August 2009 E. 3). Ein persönlicher, nachehelicher Härtefall setzt aufgrund der gesamten Umstände eine erhebliche Intensität der Konsequenzen für das Privat- und Familienleben voraus, die mit der Lebenssituation nach dem Dahinfallen der gestützt auf Art. 42 Abs. 1 bzw. Art. 43 Abs. 1 AuG abgeleiteten Anwesenheitsberechtigung verbunden sein muss (vgl. Urteil 2C_830/2010 vom 10. Juni 2011 E. 3.1.3 mit Hinweis). Eine allgemeine Katastrophensituation im Heimatland, wie sie der Beschwerdeführer geltend macht, stellt als solche nicht einen wichtigen persönlichen Grund im Sinne der massgebenden Bestimmung dar. Entsprechende persönliche Gründe hat der Beschwerdeführer nicht substantiiert nachgewiesen. Er verkennt, dass es nicht Aufgabe der Behörde ist, nach solchen Gründen zu forschen und entsprechende Abklärungen zu treffen. Im Übrigen hat die behauptete Gefährdung durch religiöse Extremisten den Beschwerdeführer nicht gehindert, nach Pakistan zu reisen. Wenn die Vorinstanz vorliegend spezifische, einen nachehelichen Härtegrund begründende Umstände verneint hat, ist dies somit nicht zu beanstanden. Für die weitere Begründung wird auf die zutreffenden Ausführungen im angefochtenen Entscheid verwiesen (Art. 109 Abs. 3 BGG).
4. Dem Verfahrensausgang entsprechend wird der unterliegende Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Parteientschädigungen sind keine geschuldet (Art. 68 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich, dem Regierungsrat des Kantons Zürich, dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 4. Kammer, und dem Bundesamt für Migration schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 22. August 2011
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Zünd
Die Gerichtsschreiberin: Dubs