Faits:
A. Par jugement du 1er décembre 2009, le Tribunal de police a reconnu X._ coupable d'actes d'ordre sexuel avec des enfants et l'a condamné à une peine pécuniaire de 180 jours-amende, à 200 fr. l'un, sous déduction de 18 jours de détention avant jugement, peine assortie d'un sursis et d'un délai d'épreuve de 4 ans. X._ a été astreint à un traitement ambulatoire, associant psychothérapie au long cours et éventuellement médication (art. 62 et 44 al. 2 CP) et à payer à la curatrice de Y._ une indemnité de 5000 fr. à titre de tort moral.
B. Sur appel, ce jugement a été partiellement annulé le 27 septembre 2010 par la Chambre pénale de la Cour de Justice genevoise qui a acquitté X._ de la prévention d'un des deux actes d'ordre sexuel avec des enfants et réduit la peine prononcée à 60 jours-amende.
En résumé, il est encore reproché à X._ d'avoir, entre avril 2007 et janvier 2008, alors qu'il entretenait une liaison avec la mère de Y._ et en son absence, mis sa main dans la culotte de cette dernière, née en 1997, sans toutefois parvenir à lui toucher les parties intimes. En revanche, il n'a pas été retenu que X._ aurait mêlé, à une occasion, Y._ à la relation sexuelle qu'il a entretenue avec sa mère alors que l'enfant se trouvait dans le même lit, étant donné que cette dernière était endormie et n'avait rien perçu.
C. X._ forme un recours en matière pénale contre cet arrêt. Invoquant la violation de l'interdiction de l'arbitraire, de la présomption d'innocence, de l'autorité de chose jugée ainsi que des art. 50, 63 et 187 CP, il conclut à l'annulation du jugement attaqué et au renvoi de la cause pour nouveau jugement.
Il n'a pas été requis d'observations.

Considérant en droit:
1. 1.1 La cour cantonale a jugé non pertinents les griefs soulevés par le recourant quant aux conditions du dévoilement ainsi qu'à la première audition de l'intimée par la police du moment que le recourant avait reconnu lui-même avoir touché l'enfant à la limite supérieure du pubis. Le recourant qualifie la décision d'arbitraire sur ce point sans motiver son grief d'une manière conforme aux exigences de l'<ref-law>, de telle sorte que ce reproche ne peut pas être examiné. Au demeurant, il n'est en rien insoutenable d'admettre un fait sur la base des déclarations concordantes des protagonistes ni de considérer que la crédibilité de la version de l'intimée est renforcée par les déclarations du recourant qui vont en grande partie dans le même sens.
1.2 La cour cantonale a acquis la conviction, sur la base d'un faisceau d'indices, que le recourant avait volontairement glissé sa main dans la culotte de l'intimée, à la limite supérieure du pubis, dans l'idée de se rapprocher le plus possible de son sexe. Le recourant considère que, ce faisant, la cour cantonale aurait violé la présomption d'innocence, car elle n'avait aucune preuve de son comportement et éprouvait un doute qui aurait dû lui profiter. Cependant, d'une part, il ne ressort pas de l'arrêt attaqué que la cour cantonale aurait éprouvé un doute à la suite de l'appréciation de preuves effectuée et le recourant ne le démontre pas. D'autre part, il n'est pas contraire à la présomption d'innocence d'acquérir une conviction de culpabilité sur la base d'un faisceau d'indices, à moins que cette appréciation ne soit arbitraire. Le recourant se contente de l'affirmer, sans le démontrer, ce qui est insuffisant au regard des exigences de motivation de l'<ref-law>.
1.3 Le principe ne bis in idem, aspect négatif de l'autorité de la chose jugée (PIQUEREZ, Traité de procédure pénale suisse, 2ème éd., 2006, n. 1533 p. 908), interdit de poursuivre deux fois la même personne pour le même fait délictueux.
Un des indices retenus par la cour cantonale est une condamnation du recourant datant de 1992 pour attentat à la pudeur d'un enfant de moins de 16 ans. Tenir compte d'un tel élément, parmi d'autres, pour arriver à une conviction de culpabilité sur de nouveaux faits n'équivaut à l'évidence pas à sanctionner une seconde fois le recourant pour les mêmes faits, ne viole pas le principe ne bis in idem et n'est à priori pas insoutenable, le recourant ne démontrant à nouveau pas le contraire d'une manière conforme aux exigences de motivation de l'<ref-law>.
2. Le recourant conteste que son comportement puisse être qualifié d'acte d'ordre sexuel.
2.1 L'<ref-law> punit celui qui aura commis un acte d'ordre sexuel sur un enfant de moins de seize ans. Par acte d'ordre sexuel, il faut entendre une activité corporelle sur soi-même ou sur autrui qui tend à l'excitation ou à la jouissance sexuelle de l'un des participants au moins (BERNARD CORBOZ, Les infractions en droit suisse, vol. I, 3e éd. 2010, n. 6 ad art. 187, p. 785). Selon la jurisprudence, il faut d'abord distinguer les actes n'ayant aucune apparence sexuelle, qui ne tombent pas sous le coup de la loi, des actes clairement connotés sexuellement du point de vue de l'observateur neutre, qui remplissent toujours la condition objective de l'infraction, indépendamment des mobiles de l'auteur. Dans les cas équivoques, qui n'apparaissent extérieurement ni neutres, ni clairement connotés sexuellement, il convient de tenir compte de l'ensemble des éléments d'espèce, notamment de l'âge de la victime ou de sa différence d'âge avec l'auteur, de la durée de l'acte et de son intensité, ainsi que du lieu choisi par l'auteur (<ref-ruling> consid. 3b p. 63). Il résulte de cette jurisprudence que la notion d'acte d'ordre sexuel doit être interprétée plus largement lorsque la victime est un enfant. Dans ce cas, il faut se demander si l'acte, qui doit revêtir un caractère sexuel indiscutable, est de nature à perturber l'enfant (BERNARD CORBOZ, op. cit., n. 7 ad art. 187, p. 786).
2.2 Dans le cas particulier, il ressort des faits constatés, qui lient la cour de céans (<ref-law>), que le recourant a volontairement mis la main dans la culotte d'une enfant au niveau de la partie supérieure du pubis dans l'idée de se rapprocher le plus possible de son sexe et que l'enfant, qui lui a demandé de retirer sa main, en a été perturbée. Qualifier un tel comportement, qui est déjà objectivement connoté sexuellement et de nature à perturber un enfant, d'acte d'ordre sexuel ne viole pas le droit fédéral, d'autant moins que, s'agissant du geste d'un adulte sur une enfant, la notion d'acte d'ordre sexuel doit être interprétée largement. Le grief du recourant ne peut qu'être rejeté.
3. Un traitement ambulatoire peut être prononcé au sens de l'<ref-law> lorsque l'auteur souffre d'un grave trouble mental, qu'il a commis un acte en rapport avec cet état et qu'il est à prévoir que le traitement le détournera de nouvelles infractions en relation avec son état.
Le recourant soutient qu'en ordonnant un traitement ambulatoire les juges cantonaux ont violé l'<ref-law>, car il ne souffrirait d'aucun trouble mental ni d'addiction. Pour l'établir, il se réfère à l'arrêt attaqué qui taxe ses actes d'une gravité objective faible. Ce faisant, le recourant confond la qualification de sa faute et celle de son état mental. Si son comportement est d'une gravité objectivement faible, ce qui est déterminant pour fixer la mesure de la peine, il n'est pas un critère décisif pour ordonner un traitement ambulatoire (<ref-law>).
Il ressort de l'expertise, à laquelle le recourant a été soumis, et de l'audition de l'expert que le recourant souffre d'un grave trouble mental sous forme de phobie sociale et de pédophilie, que son comportement est en lien avec ce trouble mental grave et qu'il présente un risque de commettre de nouvelles infractions de type pédophile, qu'un traitement ambulatoire est à même de diminuer. Bien que les actes pour lesquels le recourant a été condamné ne soient pas objectivement graves, le risque de récidive concerne des infractions importantes et la mesure ordonnée ne porte pas atteinte à la personnalité du recourant d'une manière telle qu'elle puisse être qualifiée de disproportionnée. Par conséquent, c'est sans violer le droit fédéral qu'un traitement ambulatoire a été prononcé.
4. Le recourant invoque un défaut de motivation sur la question du délai d'épreuve dont est assorti le sursis. Il ressort cependant de l'arrêt attaqué que c'est en raison de l'interdiction de la reformatio in pejus que les juges d'appel n'ont pas révoqué le sursis, dont les conditions ne sont, selon eux, pas réalisées étant donné le risque de récidive à l'origine du prononcé d'une mesure qui rend nécessairement le pronostic défavorable. Ce faisant, le recourant est en mesure de comprendre pour quelles raisons le prononcé du sursis et du délai d'épreuve ont été confirmés. Par conséquent, son grief relatif à un défaut de motivation ne peut qu'être rejeté.
5. Le recourant succombe. Il supporte les frais de la procédure (<ref-law>). Il n'y a pas lieu d'allouer des dépens (art. 68 al. 1 et 3 LTF), l'intimée n'ayant, en particulier, pas été invitée à procéder.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 4000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour de justice du canton de Genève, Chambre pénale.
Lausanne, le 14 mars 2011
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Juge présidant: Le Greffier:
Schneider Vallat