Sachverhalt:
A. X._ versetzte am 19. August 2007 seiner langjährigen Lebenspartnerin Y._ in der gemeinsam bewohnten Liegenschaft in Küsnacht mehrere Ohrfeigen, Faustschläge in den Unterleib und Fusstritte. Er bedrohte sie verbal und anschliessend unter Bekräftigung mit einem zur Hand genommenen Brotmesser mit dem Tod. Schliesslich packte er sie mit beiden Händen im Bereich des Kehlkopfs am Hals, drückte während ca. 20 - 30 Sekunden mit den Daumen kräftig zu und presste sie dabei gegen die Küchenkombination. Y._ konnte würgebedingt nur noch röcheln, urinierte unkontrolliert, und es wurde ihr kurzfristig schwindlig und schwarz vor den Augen. Überdies erlitt sie eine Hautunterblutung sowie Hautabschürfungen am Hals. X._ versetzte Y._ am 20. August 2007 nochmals in Angst und Schrecken, indem er ihr schrieb: "Y._! Ich komme wieder Du Lügnerin".
B. Das Bezirksgericht Meilen sprach X._ mit Urteil vom 12. Februar 2009 der Gefährdung des Lebens, der mehrfachen Tätlichkeiten sowie der mehrfachen Drohung schuldig und bestrafte ihn mit einer teilbedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 30 Monaten sowie mit einer Busse von Fr. 1'500.--. Der Vollzug des unbedingten Teils der Freiheitsstrafe wurde zugunsten einer ambulanten Behandlung im Sinne von <ref-law> aufgeschoben. X._ wurde verpflichtet, Y._ Fr. 490.-- als Schadenersatz sowie Fr. 8'000.-- als Genugtuung zu bezahlen.
C. X._ erhob Berufung gegen das erstinstanzliche Urteil. Unangefochten blieben die Schuldsprüche wegen mehrfacher Drohung und mehrfacher Tätlichkeiten, die Anordnung einer ambulanten Massnahme sowie die Verpflichtung zu Schadenersatz. Das Obergericht des Kantons Zürich reduzierte mit Urteil vom 13. April 2011 die Freiheitsstrafe auf 20 Monate und gewährte den bedingten Vollzug. Im Übrigen bestätigte es das erstinstanzliche Urteil.
D. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben, und er sei vom Vorwurf der Gefährdung des Lebens freizusprechen. Er sei zu einer wesentlich milderen Freiheitsstrafe von höchstens 6 Monaten zu verurteilen. Die Genugtuung sei zur neuen Festsetzung an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Die Beschwerde richtet sich gegen den Schuldspruch der Gefährdung des Lebens.
1.1 Gemäss <ref-law> wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder Geldstrafe bestraft, wer einen Menschen in skrupelloser Weise in unmittelbare Lebensgefahr bringt. Objektiv ist eine konkrete, unmittelbare Lebensgefahr erforderlich, welche direkt dem Verhalten des Täters zuzuschreiben ist. Gemäss Rechtsprechung liegt eine solche vor, wenn nach dem gewöhnlichen Lauf der Dinge die Wahrscheinlichkeit oder nahe Möglichkeit des Todeseintritts besteht. Nicht erforderlich ist, dass die Wahrscheinlichkeit des Todes grösser ist als jene seiner Vermeidung (<ref-ruling> E. 5.1 S. 8; <ref-ruling> E. 2b aa S. 70; je mit Hinweisen).
1.2 Die Vorinstanz begründet die unmittelbare Lebensgefahr mit der massgeblichen Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn der Geschädigten (angefochtenes Urteil E. IV. 2c cl S. 29). Auf die Vorbringen des Beschwerdeführers, welche sich auf die Lebensgefahr aufgrund eines Kehlkopfbruches (Beschwerde S. 9 - 13), Stauungsblutungen (Beschwerde S. 27 - 29) oder eines Reflextodes durch Reizung von Nervengeflechten entlang der Halsschlagadern (Beschwerde S. 29) richten, ist mangels Entscheidrelevanz nicht einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer rügt die Verletzung von verfassungsmässigen Rechten sowie von <ref-law> und <ref-law>, indem die Vorinstanz die unmittelbare Lebensgefahr gestützt auf mangelhafte Gutachten bejahe.
2.1 Die Geschädigte wurde am 20. August 2007, einen Tag nach der Tat, im Institut für Rechtsmedizin der Universität Zürich (IRM) untersucht. Die körperlichen Auswirkungen der Tat wurden im Gutachten vom 7. September 2007 (nachfolgend Erstgutachten) beurteilt (kantonale Akten pag. 12/3). Aufgrund später erlangter Erkenntnisse über Dauer und Folgen des zu beurteilenden Würgevorgangs wurde das IRM zur Erstellung eines Ergänzungsgutachtens beauftragt. Dieses hielt fest, die Geschädigte habe zum Zeitpunkt der rechtsmedizinischen Untersuchung an anhaltenden Schluckbeschwerden gelitten. Gemäss ihren Aussagen habe sie während des Würgens nur noch röcheln können, es sei ihr kurzfristig schwindlig und schwarz vor den Augen geworden, und sie habe ungewollten Urinabgang gehabt. Diese Angaben sprächen zusammen mit den Schluckbeschwerden dafür, dass es durch das Würgen zu einer erheblichen stumpfen Gewalteinwirkung gekommen sein dürfte. Der Schwindel belege, dass das Würgen die Blutzufuhr zum Hirn massgeblich beeinträchtigt habe. In einer derartigen Situation müsse jederzeit - daher unabhängig davon, wie lange der Würgevorgang aufrecht erhalten werde - mit irreversiblen, letalen Hirnschädigungen gerechnet werden. Beim geltend gemachten Urinabgang könne es sich um eine typische Folge einer massgeblichen Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn im Sinne eines Verlustes über die willentliche Steuerung von Körperfunktion handeln. Aus rechtsmedizinischer Sicht sei somit festzuhalten, dass sich die Geschädigte tatsächlich in konkreter Lebensgefahr befunden habe. Letztlich hätte ohne Weiteres ein fataler Ausgang mit Ableben der Geschädigten eintreten können (Ergänzungsgutachten des IRM vom 27. Oktober 2010, kantonale Akten pag. 99).
2.2 Die Vorinstanz erwägt, an der Richtigkeit der Gutachten des IRM über den angeklagten Würgevorgang und die Beurteilung seiner Gefährlichkeit sei nicht zu zweifeln. Die gutachterlich festgestellte erhebliche Kompression der Halsweichteile sei zureichend bewiesen. So seien die Aussagen der Geschädigten zu ihren Schluckbeschwerden glaubhaft, und es lägen klare optische Hinweise auf ein Würgen vor. Der Einwand des Beschwerdeführers, eine Würgedauer von 20 bis 30 Sekunden könne infolge genügender Sauerstoffreserven nicht als unmittelbar lebensgefährlich erachtet werden, möge für sich gesehen richtig sein. Der Beschwerdeführer verkenne jedoch, dass sich der Begriff der Unmittelbarkeit auf die Wahrscheinlichkeit oder nahe Möglichkeit des Todeseintrittes beim Opfer beziehe. Eine solche sei vorliegend aufgrund einer massgeblichen Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn vorgelegen. Das Argument des Beschwerdeführers, wonach Kampfsportler, welche Würgegriffe praktizierten, bei jedem Würgen durch den Gegner in Lebensgefahr schwebten, vermöge nicht zu überzeugen. Es sei gerichtsnotorisch, dass sowohl im Training als auch bei Wettkämpfen Würgegriffe nie unter Aufwendung grösstmöglicher Kraft angesetzt würden. Das Risiko von ernsthaften Gefährdungen oder Verletzungen werde sowohl durch das Verhalten der Kampfsportler als auch durch das Regelwerk minimiert. Schliesslich seien die von der Geschädigten geschilderten Tatumstände als glaubhaft und somit erstellt zu betrachten. Die Frage, ob der Urinabgang auf das Würgen oder eine Inkontinenz der Geschädigten zurückzuführen sei, könne offen gelassen werden. Denn bereits aufgrund der übrigen Würgesymptome sei von einer lebensgefährlichen erheblichen Kompression der Halsweichteile bzw. von einer massgeblichen Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn auszugehen (angefochtenes Urteil E. IV. 2c S. 17 ff.).
2.3 Der Beschwerdeführer bringt im Wesentlichen vor, das Erstgutachten weise schwere Mängel auf, welche auch durch das Ergänzungsgutachten nicht beseitigt worden seien. Die Vorinstanz verletze den Anspruch auf ein faires Verfahren, indem sie anstelle eines Zweit- ein Ergänzungsgutachten angefordert habe. Dass ihr Schuldspruch auf den mangelhaften Gutachten basiere, verstosse zudem gegen den Grundsatz "in dubio pro reo". Der Gutachter begründe die "erhebliche stumpfe Gewalteinwirkung" mit den von der Geschädigten genannten Symptomen. Die diesbezüglichen Aussagen der Geschädigten seien nicht glaubhaft. So habe sie lediglich vor der Polizei, nicht jedoch vor dem Untersuchungsrichter erwähnt, dass sie während des Würgens nur noch habe röcheln können. Eine Aussage über die Dauer des Röchelns fehle vollständig. Die mit einer allfälligen Atemnot verbundene Beeinträchtigung der Sauerstoffversorgung des Hirns habe somit höchstens ganz kurz gedauert. Es sei willkürlich, damit eine letale Hirnschädigung zu begründen. Weiter setze sich die Vorinstanz nicht genügend mit seinem Einwand auseinander, wonach die Schluckbeschwerden nicht zwingend auf den Würgevorgang zurückzuführen seien. Indem sie seinen Antrag auf eine Untersuchung des Rachenraumes abweise, verletze sie seinen Anspruch auf rechtliches Gehör. Schliesslich nehme die Vorinstanz in aktenwidriger Weise an, die Geschädigte habe die insistierende und damit unerlaubte suggestive Frage, ob es ihr "schwarz vor den Augen" geworden sei, "eindeutig bejaht". Ob das Bewusstsein der Geschädigten kurz beeinträchtigt gewesen sei, müsse somit ebenfalls offen bleiben. Die vorinstanzliche Erwägung, wonach es auf die Dauer des Würgevorganges nicht ankomme, um die unmittelbare Lebensgefahr zu schaffen, sei unhaltbar. Bei dieser Annahme stellte jedes Würgen eine Gefährdung des Lebens dar, was mit <ref-law> nicht vereinbar sei.
2.4 Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (<ref-law>) ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1 S. 39 mit Hinweisen). Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht (<ref-ruling> E. 1.3 S. 316 mit Hinweisen).
Das Gericht würdigt Gutachten grundsätzlich frei. In Fachfragen darf es davon indessen nicht ohne triftige Gründe abweichen, und Abweichungen müssen begründet werden. Umgekehrt kann das Abstellen auf nicht schlüssige Gutachten unter Verzicht auf die gebotenen zusätzlichen Beweiserhebungen gegen das Willkürverbot und gegen Verfahrensrechte der Parteien verstossen (<ref-ruling> E. 3.2 S. 547 f. mit Hinweisen). Welche Art von Gutachten anzuordnen ist (Zweitgutachten [Obergutachten] oder Ergänzungsgutachten), ist eine Ermessensfrage (Urteil 8C_89/2007 vom 20. August 2008 E. 5.1 mit Hinweis).
2.5 Der Gutachter des IRM schliesst von den festgestellten Spuren am Körper der Geschädigten und den von ihr geschilderten Symptomen darauf, dass es durch das Würgen zu einer lebensgefährlichen erheblichen Kompression der Halsweichteile kam und die Blutzufuhr zum Hirn massgeblich beeinträchtigt war. Der Beschwerdeführer zeigt nicht substanziiert auf, inwiefern die Gutachten mangelhaft sein sollen bzw. inwiefern die Vorinstanz verfassungsmässige Rechte verletzt haben soll, indem sie die unmittelbare Lebensgefahr gestützt auf die Gutachten bejaht. Er wiederholt in weiten Teilen seine Ausführungen, welche er bereits in der Berufung vorgebracht hat. Die Vorinstanz führt beispielsweise zu den geltend gemachten Schluckbeschwerden aus, an der Glaubhaftigkeit der Aussagen der Geschädigten sei nicht zu zweifeln, da sich die Schmerzen ohne weiteres mit dem als solchen unbestrittenen Würgevorgang und dem vom Beschwerdeführer selbst eingestandenen "starken" Würgen vereinbaren liessen. Die Geschädigte habe an der Halshaut unterhalb des Kinns eine gelbliche Hautunterblutung erlitten. Zusammen mit den Abschürfungen an der linken und rechten Halsseite lägen klare optische Hinweise auf ein Würgen vor, welche wiederum zu den geltend gemachten Schluckbeschwerden passen würden. Entsprechend habe kein Grund zur Anwendung bildgebender Untersuchungsmethoden bestanden (angefochtenes Urteil E. IV. 2c cb S. 18). Der Beschwerdeführer stellt diesen Erwägungen seine eigene Sicht der Dinge gegenüber, ohne aufzuzeigen, inwiefern die Vorinstanz in Willkür verfallen sein soll. Auf seine appellatorische Kritik am angefochtenen Urteil ist nicht einzutreten (<ref-law>; <ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68; je mit Hinweisen). Nach dem Gesagten verletzt die Vorinstanz keine verfassungsmässigen Rechte (Willkürverbot, Allgemeine Verfahrensgarantien gemäss <ref-law>, Grundsatz "in dubio pro reo"), indem sie die Gutachten des IRM als schlüssig erachtet. Sie konnte ohne Willkür in vorweggenommener Beweiswürdigung auf die Anordnung eines Zweitgutachtens bzw. auf Vornahme weiterer Untersuchungen der Geschädigten verzichten. Dies stellt keine Verletzung des Anspruchs des Beschwerdeführers auf rechtliches Gehör dar (<ref-ruling> E. 5.2 und 5.3 S. 236 f. mit Hinweisen). In rechtlicher Hinsicht sind die Einwände des Beschwerdeführers, ein Würgen von 20 Sekunden sei infolge genügender Sauerstoffreserven im Hirn nicht lebensgefährlich, und er habe den Würgevorgang weit vor dem Eintritt des Todes abgebrochen, unbehelflich. Denn die Vorinstanz geht gestützt auf das Ergänzungsgutachten davon aus, dass es durch die Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn jederzeit zu tödlichen Hirnschädigungen hätte kommen können. Demzufolge erweist sich ihre Annahme, die Geschädigte habe sich in einer unmittelbaren Lebensgefahr befunden, als bundesrechtskonform.
3. Der Beschwerdeführer bestreitet in subjektiver Hinsicht, vorsätzlich gehandelt zu haben. Die Vorinstanz unterstelle ihm, dass er um die mögliche Lebensgefährdung durch die Verhinderung der Versorgung des Hirns mit arteriellem Blut gewusst habe. Dies sei willkürlich und verletze den Grundsatz der Unschuldsvermutung.
3.1 Die Vorinstanz erwägt, da der Beschwerdeführer während zwei Jahren Karate betrieben habe, dürfe angenommen werden, dass er um die Gefährlichkeit von Würgegriffen gewusst habe. Ob er um sämtliche mögliche Todesfolgen gewusst habe, sei irrelevant. Es genüge, wenn ihm bekannt gewesen sei, dass er eine unmittelbar lebensgefährliche Aktion unternommen habe. Vorliegend sei davon auszugehen, dass er eine solche Gefahrenlage habe herbeiführen wollen. Denn gemäss seinen eigenen Angaben sei er während der gesamten Auseinandersetzung mit der Geschädigten von Wut und Hass getrieben gewesen. Als er es im Gespräch sowie anschliessend unter Anwendung von physischer Gewalt nicht geschafft habe, ein Schuldeingeständnis zu erlangen, hätten die durch den Griff zum Messer sowie das Würgen bekräftigten Todesdrohungen die logische Steigerung dargestellt. Der Beschwerdeführer könne nicht ernsthaft behaupten, die damit einhergehende Gefahrenlage für die Geschädigte nicht als weiteres nötigendes Element angestrebt zu haben (angefochtenes Urteil E. 2d S. 29 f.).
3.2 Die Gefährdung des Lebens erfordert in subjektiver Hinsicht direkten Vorsatz in Bezug auf die unmittelbare Lebensgefahr. Eventualvorsatz genügt nicht (<ref-ruling> E. 5.1 S. 8 mit Hinweisen). Direkter Vorsatz (zweiten Grades) ist gegeben, wenn der Täter den deliktischen Erfolg als notwendige Folge oder als Mittel zur Erreichung des verfolgten Zwecks in seinen Entschluss mit einbezogen hat, selbst wenn dieser ihm gleichgültig oder sogar unerwünscht sein mag. Er braucht nicht das direkt vom Täter erstrebte Ziel zu sein. Es genügt, dass er mitgewollt ist (<ref-ruling> E. 2b/cc S. 194 mit Hinweisen). Im Gegensatz zum Eventualvorsatz auf Tötung vertraut der Täter beim Gefährdungsvorsatz darauf, der Tod des Opfers werde nicht eintreten. Das setzt voraus, dass er annimmt, die drohende Gefahr werde durch sein eigenes Verhalten (z.B. gezielter Schuss am Opfer vorbei) oder durch eine Reaktion der gefährdeten Person (z.B. Sprung zur Seite vor dem vorannahenden Auto) abgewendet werden (PETER AEBERSOLD, in: Basler Kommentar, Strafgesetzbuch II, 2. Aufl. 2007, N. 28 zu <ref-law>). Was der Täter wusste, wollte und in Kauf nahm, betrifft sogenannte innere Tatsachen, ist damit Tatfrage (<ref-ruling> E. 4.2.3 S. 4 mit Hinweis).
3.3 Die Vorinstanz unterstellt dem Beschwerdeführer entgegen dessen Einwand nicht, dass er um die Lebensgefahr durch die Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Hirn gewusst habe. Wie sie zu Recht ausführt, reicht es für vorsätzliches Handeln, dass der Beschwerdeführer im Sinne der sog. Parallelwertung in der Laiensphäre wusste, dass er die Geschädigte in eine lebensgefährliche Situation brachte (vgl. <ref-ruling> E. 3.2.2 S. 243 mit Hinweisen). Die Vorinstanz begründet aufgrund des Ablaufs des Tatgeschehens und der Aussagen des Beschwerdeführers, weshalb sie ein solches Wissen bejaht. Der Beschwerdeführer bringt im Wesentlichen vor, er habe nur Kenntnis von der Erstickungsgefahr durch Würgen gehabt. Er habe die Geschädigte nicht genügend lange gewürgt, damit die fehlende Luftzufuhr eine unmittelbare Lebensgefahr hätte bewirken können. Mit diesen Ausführungen zeigt der Beschwerdeführer nicht substanziiert auf, inwiefern die Vorinstanz sein Wissen um die unmittelbare Lebensgefahr in willkürlicher Weise festgestellt haben soll. Auf die Rügen der willkürlichen Beweiswürdigung bzw. der Verletzung des Grundsatzes "in dubio pro reo" ist mangels rechtsgenügender Begründung nicht einzutreten (<ref-law>). Unbehelflich ist ferner der Einwand des Beschwerdeführers, er habt darauf vertraut, der Tod der Geschädigten werde nicht eintreten, weil er das Würgen rechtzeitig abbrechen werde. Dies schliesst seinen Gefährdungsvorsatz gerade nicht aus (s. E. 3.2 hiervor). Der Schuldspruch der Gefährdung des Lebens verstösst somit nicht gegen Bundesrecht.
4. Da es beim Schuldspruch der Vorinstanz bleibt, erübrigt sich, die Anträge des Beschwerdeführers auf Reduktion der Strafe bzw. auf neue Festsetzung der Genugtuung zu behandeln.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Gerichtskosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 20. Oktober 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Binz