Das Bundesgericht zieht in Erwägung:
1. Am 13. September 2010 erhob die Staatsanwaltschaft I des Kantons Zürich gegen den Beschwerdeführer Anklage wegen sexueller Nötigung und anderer Straftaten. Am 1. Oktober 2010 wurde die Hauptverhandlung am Bezirksgericht Zürich auf den 18. Januar 2011 festgesetzt mit dem Hinweis, dass die Parteien zum persönlichen Erscheinen verpflichtet seien. An diesem 18. Januar 2011 erfuhr das Bezirksgericht, dass sich der Beschwerdeführer, der sich in Haft befand, weigere, zur Verhandlung zu erscheinen. Das Bezirksgericht bot dem anwesenden Verteidiger die Möglichkeit, mit dem Beschwerdeführer zu telefonieren. Dieser hielt an seiner Weigerung, zur Hauptverhandlung vorgeführt zu werden, fest. Nachdem sich keine Notwendigkeit von Beweisergänzungen ergeben hatte und die Verhandlung in Anwesenheit des Verteidigers durchgeführt worden war, wurde der Beschwerdeführer unter anderem wegen sexueller Handlungen mit einem Kind unter Einbezug einer Reststrafe aus einem früheren Strafvollzug zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren und einer Busse von Fr. 500.-- verurteilt. Zudem wurde eine stationäre therapeutische Massnahme im Sinne von Art. 59 StGB angeordnet, die dem Vollzug der Freiheitsstrafe vorgehe.
Am 7. Februar 2011 stellte der Verteidiger das Gesuch, es sei eine neue Beurteilung in Anwesenheit des Beschwerdeführers durchzuführen. Das Bezirksgericht Zürich wies das Gesuch am 22. März 2011 ab. Eine dagegen gerichtete Beschwerde wurde durch das Obergericht des Kantons Zürich mit Beschluss vom 1. Juni 2011 abgewiesen.
Der Beschwerdeführer wendet sich ans Bundesgericht und beantragt, das Gesuch um Neubeurteilung sei in Aufhebung des Beschlusses vom 1. Juni 2011 gutzuheissen und das Bezirksgericht einzuladen, umgehend eine neue Hauptverhandlung anzusetzen.
2. Weigert sich die beschuldigte Person, aus der Haft zur Hauptverhandlung vorgeführt zu werden, so kann das Gericht sofort ein Abwesenheitsverfahren durchführen (Art. 366 Abs. 3 Strafprozessordnung; StPO; SR 312.0). Ein Abwesenheitsverfahren kann nur stattfinden, wenn die beschuldigte Person im bisherigen Verfahren ausreichend Gelegenheit hatte, sich zu den ihr vorgeworfenen Straftaten zu äussern, und die Beweislage ein Urteil ohne ihre Anwesenheit zulässt (Art. 366 Abs. 4 StPO). Ein Gesuch um neue Beurteilung wird abgelehnt, wenn die beschuldigte Person ordnungsgemäss vorgeladen wurde, aber der Hauptverhandlung unentschuldigt fernblieb (Art. 368 Abs. 3 StPO).
Es ist unbestritten, dass der Beschwerdeführer ordnungsgemäss zur Hauptverhandlung vorgeladen wurde. Im Übrigen kann in Anwendung von Art. 109 Abs. 3 BGG auf die Ausführungen der Vorinstanz verwiesen werden (vgl. angefochtenen Entscheid S. 4 - 10 E. II). Sie stellt zum einen fest, der amtlich verteidigte Beschwerdeführer habe sich zu allen Anklagevorwürfen im Vorverfahren ausreichend äussern können. Auch die Verwahrung sei bereits im Untersuchungsverfahren ein Thema gewesen. Beweisergänzungen seien nicht notwendig gewesen (angefochtener Entscheid S. 7/8). Weiter kommt die Vorinstanz zum Schluss, von einem Irrtum des Beschwerdeführers über seine Anwesenheitspflicht an der Hauptverhandlung oder den Gegenstand der Verhandlung könne keine Rede sein. Insbesondere habe er, der durch einen Anwalt vertreten gewesen sei und über Erfahrung im Strafverfahren verfüge, nicht darauf vertrauen dürfen, dass der Anwalt mit seinem Sistierungsantrag durchdringe (angefochtener Entscheid S. 9/10).
Was an diesen Erwägungen gegen das schweizerische Recht im Sinne von Art. 95 BGG verstossen könnte, ergibt sich aus der Beschwerde nicht (vgl. S. 4 - 6) und ist auch nicht ersichtlich. Ob sich die Vorinstanz zu Recht auf die persönliche Erfahrung des Beschwerdeführers mit Strafverfahren berufen hat, muss nicht geprüft werden. Entscheidend ist, dass er unmittelbar vor Beginn der Hauptverhandlung, als seine Teilnahmeverweigerung bekannt wurde, noch die Möglichkeit hatte, mit seinem Verteidiger telefonisch zu sprechen. Trotzdem hielt er auch nach diesem Gespräch an der Weigerung fest, zur Verhandlung zu erscheinen. Unter diesen Umständen ist entgegen seiner Darstellung nachgewiesen, dass er der Hauptverhandlung schuldhaft fernblieb. Inwieweit die Beweislage ein Urteil ohne seine Anwesenheit ausgeschlossen hätte, ergibt sich aus der Beschwerde nicht. Insbesondere ist nicht ersichtlich, inwieweit sich das Bezirksgericht unbedingt einen persönlichen Eindruck vom Beschwerdeführer hätte machen müssen, um einen gerechten Entscheid fällen zu können. Die Beschwerde ist im Verfahren nach Art. 109 BGG abzuweisen.
3. Die Gerichtskosten sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist in Anwendung von Art. 64 BGG abzuweisen, weil die Rechtsbegehren aussichtslos erschienen. Die finanziellen Verhältnisse des Beschwerdeführers sind bei der Bemessung der Gerichtsgebühr zu berücksichtigen (Art. 65 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, III. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 29. September 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: C. Monn