Sachverhalt:
Mit Verfügung vom 15. Juli 2010 verneinte die IV-Stelle Luzern einen Anspruch des 1962 geborenen X._ auf eine Rente der Invalidenversicherung.
Die dagegen erhobene Beschwerde des X._ mit dem Antrag, es sei ihm in Aufhebung der Verfügung vom 15. Juli 2010 mindestens eine halbe Rente zuzusprechen, eventuell sei ein rheumatologisches und psychiatrisches Gutachten sowie eine ORL-Expertise einzuholen, wies das Verwaltungsgericht des Kantons Luzern mit Entscheid vom 4. April 2011 ab.
Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten lässt X._ seine vorinstanzlich gestellten Rechtsbegehren erneuern. Zudem ersucht er um unentgeltliche Rechtspflege.

Erwägungen:
1. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten (<ref-law>) kann wegen Rechtsverletzungen gemäss Art. 95 f. BGG erhoben werden. Dabei legt das Bundesgericht seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Es kann deren Sachverhaltsfeststellung von Amtes wegen nur berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht (<ref-law>; vgl. auch <ref-law>).
2. Hinsichtlich der für die Beurteilung der Streitigkeit massgebenden gesetzlichen Grundlagen sowie der einschlägigen Rechtsprechung namentlich zur Bedeutung und zum Beweiswert ärztlicher Berichte und Gutachten sowie zur Beweiswürdigung (<ref-ruling> E. 4 S. 99 f.; <ref-ruling> E. 3 S. 352 ff.; <ref-ruling> E. 1c S. 160 ff.) wird auf die zutreffenden Erwägungen im angefochtenen Entscheid verwiesen.
Zu betonen ist, dass somatoforme Schmerzstörungen und ähnliche, ätiologisch-pathogenetisch unklare syndromale Zustände in der Regel keine lang dauernde, zu einer Invalidität im Sinne von <ref-law> führende Einschränkung der Arbeitsfähigkeit zu bewirken vermögen (<ref-ruling> E. 2.2.2 und 2.2.3 S. 353 ff.; SVR 2008 IV Nr. 62 S. 203, 9C_830/2007 E. 4.2), wie das Gericht bereits festgehalten hat.
3. 3.1 In tatsächlicher Hinsicht hat die Vorinstanz in für das Bundesgericht grundsätzlich verbindlicher Weise (E. 1) festgestellt, gemäss dem als beweiskräftig erachteten Bericht der Dres. med. P._, Chefarzt Innere Medizin und C._, Oberärztin Rheumatologie, beide Abteilung Innere Medizin, Spital Y._, vom 7. Mai 2010, bestehe aus rheumatologischer Sicht aufgrund des diagnostizierten linksseitigen chronischen zerviko- und lumbospondylogenen Syndroms eine mindestens 80%ige Arbeitsfähigkeit in einer leichten bis mittelschweren, wechselbelastenden Tätigkeit. Bezüglich der psychischen Beschwerden könne nicht auf den Bericht des Assistenzarztes S._, Psychiatrie, Ambulante Dienste, Ambulatorium Z._, vom 10. September 2010, abgestellt werden, welcher die Diagnosen einer mittelgradigen depressiven Episode mit somatischem Syndrom (ICD-10 F32.11) und einer anhaltenden somatoformen Schmerzstörung (ICD-10 F45.4) stellte, da keine objektiven Befunde aufgeführt würden. Selbst wenn diesem Bericht voller Beweiswert zukäme, vermöchte die diagnostizierte somatoforme Schmerzstörung keine Invalidität zu begründen und die depressive Episode sei keine selbstständige, vom Schmerzsyndrom losgelöste psychische Komorbidität.
3.2 Der Versicherte erhebt keine Rügen, welche die vorinstanzlichen Feststellungen zur Arbeitsfähigkeit als offensichtlich unrichtig oder als Ergebnis willkürlicher Beweiswürdigung oder als rechtsfehlerhaft nach <ref-law> erscheinen lassen. Insbesondere dringt der Einwand einer ungenügenden Sachverhaltsabklärung nicht durch, weil die dafür u.a. notwendigen Voraussetzungen - unauflösbare Widersprüche tatsächlicher Art oder Beantwortung einer entscheidwesentlichen Tatfrage, wie namentlich bezüglich Gesundheitszustand und Arbeitsfähigkeit, auf unvollständiger Beweisgrundlage (Urteil 9C_932/2008 vom 9. April 2009 E. 3.1) - nicht vorliegen. Im Rahmen der freien, pflichtgemässen Würdigung der Beweise durch die Vorinstanz ergab sich (bei zwar eher dünnen Aktenlage) ein nachvollziehbares und schlüssiges Bild des Gesundheitszustandes, welches nach dem Beweisgrad der überwiegenden Wahrscheinlichkeit hinreichende Klarheit über den rechtserheblichen Sachverhalt vermittelt, weshalb die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung bundesrechtskonform erfolgt ist und das kantonale Gericht dementsprechend in zulässiger antizipierter Beweiswürdigung (<ref-ruling> E. 3 S. 157; <ref-ruling> E. 4b S. 94; SVR 2007 IV Nr. 45 S. 149, I 9/07 E. 4) ohne Verletzung des Untersuchungsgrundsatzes auf weitere Beweismassnahmen verzichtet hat.
3.2 Der Versicherte erhebt keine Rügen, welche die vorinstanzlichen Feststellungen zur Arbeitsfähigkeit als offensichtlich unrichtig oder als Ergebnis willkürlicher Beweiswürdigung oder als rechtsfehlerhaft nach <ref-law> erscheinen lassen. Insbesondere dringt der Einwand einer ungenügenden Sachverhaltsabklärung nicht durch, weil die dafür u.a. notwendigen Voraussetzungen - unauflösbare Widersprüche tatsächlicher Art oder Beantwortung einer entscheidwesentlichen Tatfrage, wie namentlich bezüglich Gesundheitszustand und Arbeitsfähigkeit, auf unvollständiger Beweisgrundlage (Urteil 9C_932/2008 vom 9. April 2009 E. 3.1) - nicht vorliegen. Im Rahmen der freien, pflichtgemässen Würdigung der Beweise durch die Vorinstanz ergab sich (bei zwar eher dünnen Aktenlage) ein nachvollziehbares und schlüssiges Bild des Gesundheitszustandes, welches nach dem Beweisgrad der überwiegenden Wahrscheinlichkeit hinreichende Klarheit über den rechtserheblichen Sachverhalt vermittelt, weshalb die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung bundesrechtskonform erfolgt ist und das kantonale Gericht dementsprechend in zulässiger antizipierter Beweiswürdigung (<ref-ruling> E. 3 S. 157; <ref-ruling> E. 4b S. 94; SVR 2007 IV Nr. 45 S. 149, I 9/07 E. 4) ohne Verletzung des Untersuchungsgrundsatzes auf weitere Beweismassnahmen verzichtet hat.
3.3 3.3.1 Gegen die Beweistauglichkeit des Berichts der Dres. med. P._ und C._ vom 7. Mai 2010 wird in der Beschwerde eingewendet, die Ärzte seien sich bei der Arbeitsfähigkeitsbeurteilung aus rheumatologischer Sicht nicht sicher gewesen, da sie festhielten, es "dürfte" allerdings zumindest eine 80%ige Arbeitsfähigkeit bestehen. Dabei übersieht der Beschwerdeführer, dass die ärztliche Beurteilung der verbliebenden Restarbeitsfähigkeit eine Schätzung darstellt, worauf sich das verwendete Wort "dürfte" bezieht; ausserdem liegt bei der ärztlicherseits verwendeten Formulierung "dürfte allerdings zumindest eine 80%ige Arbeitsfähigkeit bestehen" eine einzig nach oben offene Einschätzung vor, die - entgegen den Darlegungen in der Beschwerde - nach unten durch den angegebenen Wert von 80 % klar begrenzt ist. Auf die in ihrer Begründung schlüssige Arbeitsfähigkeitsschätzung durfte sich die Vorinstanz stützen. Da der Chefarzt Dr. med. P._ sämtliche vorliegenden rheumatologischen Berichte unterzeichnete, geht auch das Argument fehl, der Bericht der Dres. med. P._ und C._ (vom 7. Mai 2010) sei nicht in Kenntnis der wichtigsten medizinischen Vorakten abgegeben worden. Ebenso wenig wird der Beweiswert des Berichts vom 7. Mai 2010 dadurch geschmälert, dass eine im rheumatologischen Bericht der Dres. med. P._ und G._, Oberärztin Rheumatologie, Spital Y._, vom 27. März 2008, erwähnte mögliche beginnende Coxarthrose im späteren Bericht keinen Eingang mehr gefunden hat, was den Schluss zulässt, dass diese Verdachtsdiagnose nicht bestätigt werden konnte. Es wäre überdies zumindest fraglich, ob eine diagnostizierte Coxathrose die zumutbare Arbeitsfähigkeit beeinflusst hätte, zumal der Regionale Ärztliche Dienst der Invalidenversicherung (RAD) diese als Gesundheitsschaden ohne Auswirkungen auf die Arbeitsfähigkeit einstufte (Protokoll-Eintrag vom 26. Januar 2009). Die Vorinstanz führte sodann bezüglich des - einzig im Rahmen der Arbeitsvermittlung der IV-Stelle erwähnten - Schwindels bereits zutreffend aus, dass eine solche Problematik in keiner der medizinischen Akten erwähnt wurde, weshalb kein Anlass für Beweisweiterungen hiezu besteht.
3.3.2 Hinsichtlich der geltend gemachten psychischen Beschwerden hat das kantonale Gericht das Vorliegen eines krankheitswertigen psychischen Leidens ausgeschlossen. Der Beschwerdeführer vermag nicht darzutun, inwiefern die Vorinstanz offensichtlich unrichtig einen psychischen Gesundheitsschaden mit Auswirkungen auf die Arbeitsfähigkeit verneint hat und der Verzicht auf diesbezügliche Abklärungen auf einer nicht pflichtgemässen (antizipierten) Beweiswürdigung (BGE <ref-ruling> E. 1d S. 162) beruht. Die Vorinstanz hat zutreffend ausgeführt, dass auf den vom Beschwerdeführer in Aussicht gestellten, auf Aufforderung des Gerichts hin im vorinstanzlichen Beschwerdeverfahren eingereichten, kurzen Bericht des Assistenzarztes S._ (vom 10. September 2010) mangels begründeter Diagnose nicht abgestellt werden kann. Ebenso wenig finden sich in diesem Bericht Ausführungen dazu, weshalb die Arbeitsfähigkeit um 50 % eingeschränkt sein soll, weshalb der Bericht keine hinreichende Grundlage bildet, um die zumutbare Arbeitsfähigkeit festzulegen.
Hingegen kann davon abgesehen werden, diese Frage fachärztlich durch weitere Beweisvorkehren zu klären. Die Vorinstanz ist in Anwendung der Praxis zu den somatoformen Schmerzstörungen (<ref-ruling> und 130 V 352) zu Recht zur Überzeugung gelangt, dass eine psychogene Einschränkung der Leistungsfähigkeit zu verneinen ist. Selbst wenn eine (gemäss Bericht vom 10. September 2010) mittelgradige depressive Episode mit somatischem Syndrom, bei Behandlungsbeginn (16. April 2010), aktuell leichtgradige Episode, als selbstständiges, von der somatoformen Schmerzstörung losgelöstes Leiden anzusehen wäre, wiese es unter den gegebenen Umständen die nach der Rechtsprechung erforderliche erhebliche Schwere, Ausprägung und Dauer (<ref-ruling> E. 2.2.3 S. 354) nicht auf. Die invalidisierende Wirkung der somatoformen Schmerzstörung müsste sich daher aus den weiteren diesbezüglich relevanten Kriterien (<ref-ruling> E. 2.2.3 S. 354 f.) ergeben. Dazu hält das kantonale Gericht fest, es bestünden keine hinreichenden Anhaltspunkte für das gehäufte Vorliegen von weiteren Faktoren, die dem Beschwerdeführer eine Willensanstrengung zur Überwindung der Folgen einer allenfalls vorliegenden somatoformen Schmerzstörung unzumutbar machen würden. Ein innerseelischer Konflikt sei nicht eruierbar. Aktuell fehlten auch Hinweise für eine schwerwiegende psychische Störung oder für chronische körperliche Begleiterkrankungen. Die Vorinstanz führte weiter aus, es lägen einzig die (geringgradigen) organischen Befunde gemäss Bericht der Dres. med. P._ und C._ (vom 7. Mai 2010) vor. Wenn die Vorinstanz aus diesen Feststellungen den Schluss zog, die (bei Fehlen einer hinreichend ausgeprägten Komorbidität) relevanten Merkmale seien nicht in dem Ausmass gegeben, welches die Rechtsprechung für die ausnahmsweise Bejahung des invalidisierenden Charakters einer somatoformen Schmerzstörung verlangt, lässt sich dies nicht beanstanden. Zusammenfassend spricht nach Lage der Akten nichts dafür, dass eine nach weiteren Beweisvorkehren fachärztlich allenfalls ausgewiesene somatoforme Schmerzstörung den Beschwerdeführer derart intensiv und konstant behinderte, dass die Wiederaufnahme einer leidensangepassten Tätigkeit im Umfang von 80 % aus rechtlicher Sicht als unzumutbar zu gelten hätte. Eine invalidisierende Wirkung der geltend gemachten psychischen Leiden ist demnach zu verneinen. Anhaltspunkte für eine psychische Erkrankung ausserhalb des Formenkreises der somatoformen Schmerzstörung fehlen.
4. Mit Bezug auf die erwerbliche Umsetzbarkeit des trotz des Gesundheitsschadens bestehenden Leistungsvermögens und die Invaliditätsbemessung (<ref-law>) wird einzig die vorinstanzliche Einschätzung des leidensbedingten Abzugs beanstandet, wie er bei der Festsetzung des anrechenbaren Invalideneinkommens allenfalls vorzunehmen ist (<ref-ruling> E. 4.2.3 S. 481 und 126 V 75). Bundesrechtlich frei überprüfbare Rechtsfrage ist, ob ein statistisch ermittelter Lohnansatz mit Blick auf die persönlichen und beruflichen Umstände im Einzelfall herabgesetzt werden muss. Die Festlegung des Ausmasses der Kürzung ist derweil Ermessenssache. In die Überprüfungsbefugnis des Bundesgerichts fällt die Höhe des Abzuges nur bei Ermessensüberschreitung, -unterschreitung oder -missbrauch (<ref-ruling> E. 3.3 S. 399; SVR 2009 IV Nr. 43 S. 127 E. 3.1, 9C_235/2008). Es kann nicht gesagt werden, dass die Vorinstanz Bundesrecht verletzt hätte, indem sie die leidensbedingte Korrektur des auf einem statistischen Wert beruhenden Invalideneinkommens auf 5 % veranschlagte. Eine weitergehende Anrechnung beim leidensbedingten Abzug würde einer unzulässigen doppelten Berücksichtigung der festgestellten rheumatologischen Einschränkungen gleichkommen. Das ärztlich umschriebene Anforderungsprofil (wechselbelastende, körperlich leichte bis mittelschwere Tätigkeiten) schränkt die Einsatzmöglichkeiten nur mässig ein. Eine rechtsfehlerhafte Ermessensbetätigung liegt nicht vor. Der von der Vorinstanz vorgenommene Einkommensvergleich wird im Übrigen nicht beanstandet und gibt keinen Grund zu Weiterungen. Es bleibt damit bei der Verneinung eines Rentenanspruchs.
5. Die Beschwerde ist offensichtlich unbegründet, weshalb sie im Verfahren nach <ref-law> ohne Durchführung eines Schriftenwechsels erledigt wird.
6. Das Verfahren ist kostenpflichtig (Art. 65 Abs. 1 und Abs. 4 lit. a BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird infolge Aussichtslosigkeit abgewiesen (<ref-law>). Der unterliegende Beschwerdeführer hat die Gerichtskosten zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 500.- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Verwaltungsgericht des Kantons Luzern, Sozialversicherungsrechtliche Abteilung, und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 1. Juli 2011
Im Namen der I. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Ursprung Polla