Sachverhalt:
A. Das Amtsgericht Willisau bestrafte X._ am 21. Oktober 2010 wegen Inbetriebnahme eines Zwischenlagers für Altholz ohne Bewilligung gestützt auf <ref-law> mit einer Busse von Fr. 1'000.--. Von den Vorwürfen des Betreibens einer Altholzfeuerung ohne die vorgeschriebenen gesetzlichen Kontrollen über die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte sowie ohne die vorgeschriebene Umweltverträglichkeitsprüfung sprach es ihn frei. Das Amtsgericht auferlegte ihm die Anwalts-, die Untersuchungs- sowie die Hälfte der Gerichtskosten. Die verbleibenden Verfahrenskosten gingen zu Lasten des Staates.
Das Obergericht des Kantons Luzern trat am 31. Januar 2011 auf die Kassationsbeschwerde von X._ aus formellen Gründen nicht ein. In einer Alternativbegründung wies es das Rechtsmittel materiell ab.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, der Entscheid vom 31. Januar 2011 sei aufzuheben, die Kassationsbeschwerde vom 12. November 2010 sei gutzuheissen, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Die Kosten des erst- und zweitinstanzlichen sowie des bundesgerichtlichen Verfahrens seien dem Staat aufzuerlegen.
C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.

Erwägungen:
1. Der angefochtene Entscheid besteht aus einer Haupt- und einer Alternativbegründung, die je für sich den Ausgang des Rechtsstreits besiegeln. Zum einen erläutert die Vorinstanz ihr Nichteintreten auf das Rechtsmittel des Beschwerdeführers wegen verspäteter Beschwerdeerhebung (angefochtener Entscheid, S. 3-5), zum andern äussert sie sich zur materiellen Seite der Angelegenheit und begründet, weshalb die Beschwerde auch bei rechtzeitiger Beschwerdeerhebung in jedem Fall abzuweisen gewesen wäre (angefochtener Entscheid, S. 5 ff.). Für eine Gutheissung der Beschwerde vor Bundesgericht müssten beide vorinstanzlichen Begründungen das Recht im Sinne von <ref-law> verletzen (<ref-ruling> E. 6; vgl. Urteil 6B_160/2011 vom 4. April 2011 E. 2). Nachdem - wie zu zeigen sein wird - die Alternativbegründung der Vorinstanz bzw. ihre materiell-rechtlichen Erwägungen Recht im Sinne von <ref-law> nicht verletzen, muss sich das Bundesgericht mit den Ausführungen des Beschwerdeführers zur vorinstanzlichen Hauptbegründung, d.h. mit der Frage, ob die vorinstanzliche Gesetzesauslegung und Nichtanwendung von § 248 Abs. 2 der früheren luzernischen Strafprozessordnung (SRL 305) vor den Verfahrensgarantien des fairen Verhaltens und des Anspruchs auf rechtliches Gehör standhalten (vgl. Beschwerde Ziff. 4-10 S. 3 ff.), nicht befassen.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer betreibt in der Gemeinde A._ im Kanton Luzern ein Sägewerk bzw. eine Holzschnitzelfeuerung. In den Jahren 2008 und 2009 nahm er insgesamt rund 700 Tonnen Alt- oder Abbruchholz von Anlieferern entgegen, verarbeitete dieses zu Schnitzeln und verbrannte es anschliessend in der Heizungsanlage (angefochtener Entscheid, S. 5; Beschwerde, Ziff. 11 S. 6). Nach dem Dafürhalten des Beschwerdeführers bedarf es vorliegend für die Inbetriebnahme eines Zwischenlagers von Alt- oder Abbruchholz keiner Bewilligung nach Art. 8 der Verordnung über den Verkehr mit Abfällen (VeVA; SR 814.610). Die VeVA gelange hier - angesichts der kleinen vom Sägewerk X._ verarbeiteten Menge Altholz - nicht zur Anwendung, zumal dieses Holz nicht entgegengenommen wurde, um es dauernd zu lagern, sondern um es unmittelbar nach der Verarbeitung zu Schnitzelholz zu verbrennen.
2.2 Auf den 1. Januar 2006 ist die Verordnung vom 12. November 1986 über den Verkehr mit Sonderabfällen (aVVS; AS 1987 S. 55) aufgehoben worden. An deren Stelle ist die Verordnung vom 22. Juni 2005 über den Verkehr mit Abfällen (VeVA; SR 814.610) getreten, welche über die Sonderabfälle hinaus (vgl. <ref-law>) auch die sogenannt "anderen kontrollpflichtigen Abfälle" (vgl. <ref-law>) erfasst (vgl. hierzu BEATRICE WAGNER PFEIFER, Umweltrecht II, 2. Aufl., Zürich 2006, S. 103). Das Eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) hat am 18. Oktober 2005, namentlich gestützt auf <ref-law>, eine Verordnung mit Listen zum Verkehr mit Abfällen erlassen (SR 814.610.1). Diese Verordnung ist ebenfalls auf den 1. Januar 2006 in Kraft getreten (vgl. AS 2005 S. 5149). Sie enthält in Anhang 1 das in <ref-law> vorgesehene Abfallverzeichnis (LVA). Altholz gehört danach zu den "anderen kontrollpflichtigen Abfällen". Die Inbetriebnahme u.a. von Zwischenlagern zur Entgegennahme solcher kontrollpflichtiger Holzabfälle setzt nach Art. 8 Abs. 1 VeVa eine kantonale Bewilligung voraus (vgl. hierzu auch Bundesamt für Umwelt BAFU, Betrieb von Anlagen für die Zwischenlagerung, Zerkleinerung, Verwertung und Verbrennung von Holzabfällen [Vollzugshilfe Holzabfälle], Entwurf März 2007, S. 6 Ziff. 5.1). Verstösse gegen Vorschriften, die auf der Ermächtigung von Art. 30g i.V.m. Art. 30f Abs. 1 und 2 USG beruhen, werden gemäss der Strafbestimmung von <ref-law> als Übertretung geahndet, auch wenn Bestimmungen über Bewilligungspflichten verletzt werden (URSULA BRUNNER, Kommentar zum Umweltschutzgesetz, 2. Aufl. 2002, Art. 30g Rz 13). Wer mithin Vorschriften über den Verkehr mit anderen Abfällen verletzt (Art. 30g Abs. 1), wird mit Busse bis zu 20'000 Franken bestraft.
2.3 Seit dem Inkrafttreten der VeVa am 1. Januar 2006 gilt Alt-/Abbruchholz nach dem Gesagten als "anderer kontrollpflichtiger Abfall". § 27 des kantonalen Einführungsgesetzes zum Bundesgesetz über den Umweltschutz (EG USG/LU), der die Gemeinden zur Erteilung von Betriebsbewilligungen für "alle andern Abfallanlagen" berechtigt, kommt deshalb beim Alt-/Abbruchholz entgegen der in der Beschwerde vertretenen Ansicht nicht zum Tragen. Wer kontrollpflichtige Holzabfälle zur Zwischenlagerung entgegennimmt, benötigt richtiger Ansicht zufolge nach heute geltender Ordnung eine kantonale Bewilligung im Sinne von Art. 8 Abs. 1 VeVa. Der Beschwerdeführer nahm in den Jahren 2008 und 2009 unbestrittenermassen rund 700 Tonnen Alt-/Abbruchholz entgegen. Es kann dabei entgegen der in der Beschwerde aufgestellten Behauptung nicht von einer geringfügigen Gesamtmenge kontrollpflichtigen Holzabfalls gesprochen werden. Abgesehen davon legt der Beschwerdeführer auch nicht dar, weshalb die VeVa bei geringen Mengen nicht anwendbar sein sollte. An der Bewilligungspflicht vermag auch nichts zu ändern, dass der Beschwerdeführer das Altholz nicht zum Zwecke der dauernden Lagerung entgegengenommen hat (Beschwerde, S. 6), sondern er es lediglich kurzzeitig lagerte, d.h. es nach dem Abladen zu Schnitzelholz verarbeitete und dann in der Heizungsanlage verbrannte. Aus der Natur des Zwischenlagers ergibt sich ohne weiteres, dass das abgeladene Holz dort auch nur für kurze Zeit liegen kann, dient ein solches Lager doch definitionsgemäss nur der vorübergehenden bzw. zeitlich limitierten Aufbewahrung von Waren oder Abfällen. Im Übrigen ist die Bewilligungspflicht ohnehin nicht vom zufälligen Kriterium der Dauer der Lagerung abhängig, da es sich bei der Bewilligung des Umweltschutzamtes um eine Polizeibewilligung handelt, die sicherzustellen hat, dass der Betrieb des Zwischenlagers die Umweltschutz-Gesetzesbestimmungen erfüllt. Der Beschwerdeführer verkennt letztlich bei seiner Kritik, dass das Betreiben einer Holzfeuerung nicht den gleichen bewilligungspflichtigen Sachverhalt beschlägt wie der Betrieb eines Zwischenlagers für Altholz. Die Vorinstanz durfte das Rechtsmittel des Beschwerdeführers deshalb abweisen, ohne Bundesrecht zu verletzen. Auf ihre zutreffenden Ausführungen kann verwiesen werden (<ref-law>).
3. Die Beschwerde ist abzuweisen. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Luzern, 4. Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 24. Juni 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Mathys Arquint Hill