Faits:
A. Le 24 septembre 1999, A._, ressortissant marocain né en 1968, a déposé une demande de visa pour la Suisse auprès de l'Ambassade de Suisse à Rabat au Maroc, afin de contracter mariage avec B._, ressortissante suisse de onze ans son aînée. Les prénommés se sont mariés le 28 janvier 2000 à Nyon.
Le 8 septembre 2005, A._ a déposé une demande de naturalisation facilitée fondée sur son mariage. Dans le cadre de l'instruction de cette demande, les époux ont contresigné, le 30 novembre 2006, une déclaration écrite aux termes de laquelle ils confirmaient vivre en communauté conjugale effective et stable, résider à la même adresse et n'envisager ni séparation, ni divorce. Leur attention a été attirée sur le fait que la naturalisation facilitée ne pouvait pas être octroyée lorsque, avant ou pendant la procédure de naturalisation, l'un des époux demandait le divorce ou la séparation, ou lorsque la communauté conjugale effective n'existait plus. La déclaration signée précisait en outre que si cet état de fait était dissimulé, la naturalisation facilitée pouvait être annulée dans les cinq ans.
Par décision du 21 décembre 2006, l'Office fédéral des migrations (ci-après: l'ODM) a accordé la naturalisation facilitée à A._.
B. Le 24 juillet 2008, les époux ont déposé une requête commune tendant au divorce et à la ratification de la convention sur les effets accessoires du divorce du 14 juillet 2008. Par jugement du 4 novembre 2008, le Tribunal d'arrondissement de La Côte a prononcé la dissolution du mariage.
Le 5 février 2010, l'ODM a informé le prénommé qu'il allait examiner la possibilité d'ouvrir une procédure en annulation de sa naturalisation facilitée et l'a invité à se déterminer. Par courrier du 26 mai 2010, A._ a notamment répondu que le couple avait souhaité avoir des enfants, mais que son ex-épouse avait subi deux fausses couches et que cette épreuve douloureuse s'était ressentie ultérieurement dans leur vie commune. Il a ajouté qu'il était vrai que le couple avait connu des moments difficiles et que ceux-ci n'avaient pu s'arranger malgré leurs efforts.
Entendue par l'autorité cantonale compétente sur réquisition de l'ODM, B._ a notamment exposé qu'elle avait connu l'intéressé en juin 1998 lors de vacances au Maroc, alors qu'elle séjournait dans l'hôtel où il travaillait et qu'ils avaient eu ensemble l'idée de se marier; les époux avaient commencé à rencontrer des problèmes conjugaux suite aux difficultés qu'elle avait eues à tomber enceinte, que cela avait ajouté beaucoup de tension entre eux depuis 2007; elle avait eu trois fausses couches entre 2000 et 2002; avant leur mariage, les époux avaient beaucoup discuté du fait qu'elle était âgée de 43 ans, qu'ils savaient qu'il ne serait pas aisé pour elle d'avoir un enfant, que son époux en était parfaitement conscient et que cela ne lui posait aucun problème; il y avait aussi eu quelques divergences lors de discussion sur la politique et la religion; la routine et l'usure s'étaient installées dans le couple, dès lors qu'ils ne partageaient pas assez de moments ensemble; ils avaient commencé à envisager le divorce au début de l'année 2008; au moment de la naturalisation, leur union conjugale était stable. B._ a précisé certains éléments par courrier du 1er août 2010, sur requête de l'ODM.
Par lettre du 16 août 2010, A._ s'est déterminé sur les déclarations de son ex-épouse.
C. Par décision du 12 novembre 2010, l'ODM a prononcé, avec l'assentiment de l'autorité cantonale compétente, l'annulation de la naturalisation facilitée accordée à A._. En substance, il a retenu que l'octroi de la naturalisation facilitée s'était fait sur la base de déclarations mensongères, voire de dissimulation de faits essentiels.
Le Tribunal administratif fédéral a confirmé la décision de l'ODM dans un arrêt rendu le 27 septembre 2011. Il a considéré en particulier que l'enchaînement rapide des événements fondait la présomption que la communauté conjugale des intéressés n'était plus étroite et effective au moment de la signature de la déclaration commune, les éléments avancés par A._ n'étant pas suffisants pour renverser cette présomption.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal administratif fédéral et de lui "donner acte que les conditions de la révocation de la naturalisation facilitée ne sont pas réalisées". L'ODM et le Tribunal administratif fédéral ont renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. Dirigé contre la décision du Tribunal administratif fédéral qui confirme l'annulation de la naturalisation facilitée accordée au recourant, le recours est recevable comme recours en matière de droit public (art. 82 al. 1 let. a et 86 al. 1 let. a LTF). Le motif d'exclusion de l'art. 83 let. b LTF n'entre pas en ligne de compte, dès lors qu'il s'agit en l'espèce de naturalisation facilitée et non pas de naturalisation ordinaire. Pour le surplus, le recourant a la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF et les conditions formelles de recevabilité sont remplies, de sorte qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Le recourant conteste avoir obtenu la naturalisation par des déclarations mensongères et reproche au Tribunal administratif fédéral d'avoir abusé de son pouvoir d'appréciation dans l'examen des éléments fondant le retrait de la naturalisation et d'avoir ainsi rendu une décision arbitraire, contraire au but de la loi fédérale du 29 septembre 1952 sur l'acquisition et la perte de la nationalité suisse (LN; RS 141.0).
2.1 Conformément aux art. 41 al. 1 LN et 14 al. 1 de l'ordonnance du 17 novembre 1999 sur l'organisation du Département fédéral de justice et police (RS 172.213.1), l'Office fédéral des migrations peut, avec l'assentiment de l'autorité du canton d'origine, annuler dans les cinq ans une naturalisation facilitée obtenue par des déclarations mensongères ou par la dissimulation de faits essentiels.
2.1.1 Pour qu'une naturalisation facilitée soit annulée, il ne suffit pas qu'elle ait été accordée alors que l'une ou l'autre de ses conditions n'était pas remplie; il faut qu'elle ait été acquise grâce à un comportement déloyal et trompeur. S'il n'est point besoin que ce comportement soit constitutif d'une escroquerie au sens du droit pénal, il est nécessaire que l'intéressé ait donné sciemment de fausses informations à l'autorité ou qu'il l'ait délibérément laissée dans l'erreur sur des faits qu'il savait essentiels (<ref-ruling> consid. 2 p. 165; <ref-ruling> consid. 3.1 p. 115 et les arrêts cités). Tel est notamment le cas si le requérant déclare vivre en communauté stable avec son conjoint alors qu'il envisage de se séparer une fois obtenue la naturalisation facilitée; peu importe que son mariage se soit ou non déroulé jusqu'ici de manière harmonieuse (arrêt 1C_406/2009 du 28 octobre 2009 consid. 3.1.1 et l'arrêt cité).
La nature potestative de l'art. 41 al. 1 LN confère une certaine liberté d'appréciation à l'autorité compétente, qui doit toutefois s'abstenir de tout abus dans l'exercice de celle-ci. Commet un abus de son pouvoir d'appréciation l'autorité qui se fonde sur des critères inappropriés, ne tient pas compte de circonstances pertinentes ou rend une décision arbitraire, contraire au but de la loi ou au principe de la proportionnalité (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 115; <ref-ruling> consid. 4a p. 101 et les arrêts cités).
D'après la jurisprudence, la notion de communauté conjugale suppose non seulement l'existence formelle d'un mariage, mais encore une véritable communauté de vie des conjoints; tel est le cas s'il existe une volonté commune et intacte de ceux-ci de maintenir une union conjugale stable; une séparation survenue peu après l'octroi de la naturalisation constitue un indice de l'absence de cette volonté lors de l'obtention de la citoyenneté suisse (<ref-ruling> consid. 2 p. 165; <ref-ruling> consid. 2 p. 484; <ref-ruling> consid. 3a p. 98; <ref-ruling> consid. 2b p. 52).
2.1.2 La procédure administrative fédérale est régie par le principe de la libre appréciation des preuves (art. 40 de la loi fédérale de procédure civile fédérale du 4 décembre 1947 [PCF; RS 273], applicable par renvoi de l'art. 19 de la loi fédérale du 20 décembre 1968 sur la procédure administrative [PA; RS 172.021]). Ce principe vaut également devant le Tribunal administratif fédéral (art. 37 LTAF). L'administration supporte le fardeau de la preuve lorsque la décision intervient, comme en l'espèce, au détriment de l'administré. Cela étant, la jurisprudence admet dans certaines circonstances que l'autorité puisse se fonder sur une présomption. C'est notamment le cas pour établir que le conjoint naturalisé a menti lorsqu'il a déclaré former une union stable, dans la mesure où il s'agit d'un fait psychique, lié à des éléments relevant de la sphère intime, souvent inconnus de l'administration et difficiles à prouver (<ref-ruling> consid. 3 p. 166; <ref-ruling> consid. 3.2 p. 485). Partant, si l'enchaînement rapide des événements fonde la présomption de fait que la naturalisation a été obtenue frauduleusement, il incombe alors à l'administré de renverser cette présomption, en raison, non seulement de son devoir de collaborer à l'établissement des faits (art. 13 al. 1 let. a PA ; cf. <ref-ruling> consid. 3 p. 166; <ref-ruling> consid. 3.2 p. 115 s.), mais encore de son propre intérêt (ATF <ref-ruling> consid. 3.2 p. 485 s.).
S'agissant d'une présomption de fait, qui ressortit à l'appréciation des preuves et ne modifie pas le fardeau de la preuve (cf. ATF <ref-ruling> consid. 3.2 p. 486), l'administré n'a pas besoin, pour la renverser, de rapporter la preuve contraire du fait présumé, à savoir faire acquérir à l'autorité la certitude qu'il n'a pas menti; il suffit qu'il parvienne à faire admettre l'existence d'une possibilité raisonnable qu'il n'ait pas menti en déclarant former une communauté stable avec son conjoint. Il peut le faire en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une détérioration rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple et, ainsi, l'existence d'une véritable volonté de maintenir une union stable avec son conjoint lorsqu'il a signé la déclaration (<ref-ruling> consid. 3 p. 165 s. et les arrêts cités).
2.1.3 En l'espèce, le Tribunal administratif fédéral a considéré que le laps de temps relativement court entre la déclaration commune (novembre 2006), l'octroi de la naturalisation facilitée (décembre 2006), le dépôt de la requête commune en divorce (juillet 2008) et le jugement de divorce (novembre 2008) fondait la présomption que le couple n'envisageait déjà plus une vie future partagée lors de la signature de la déclaration commune et que la naturalisation facilitée avait été obtenue frauduleusement.
Pour l'instance précédente, cette présomption était renforcée par l'absence de descendance commune et les divergences d'opinions politico-religieuses, qui étaient une source à tout le moins latente de conflit entre les époux au moment de la naturalisation du recourant. S'ajoutaient à cela la grande différence d'âge entre les ex-époux et les conditions dans lesquelles le mariage s'était conclu, à savoir pour permettre d'obtenir une autorisation de séjour au conjoint étranger.
Contrairement à ce que soutient le recourant, la présomption précitée peut être admise compte tenu de l'enchaînement rapide des événements.
Conformément à la jurisprudence précitée, il s'agit donc uniquement de déterminer si l'intéressé est parvenu à renverser cette présomption en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité des problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune.
2.1.4 Le recourant n'avance aucun élément probant susceptible d'expliquer une soudaine dégradation du lien conjugal dix-huit mois après l'octroi de la naturalisation. Il se contente de reprocher au Tribunal administratif fédéral de n'avoir instruit qu'à charge et d'avoir écarté les témoignages des époux, lesquels ont notamment déclaré qu'au moment de la signature de la déclaration commune, ils vivaient "parfaitement bien", que leur couple était solide même pendant les moments douloureux et que le recourant n'avait pas changé de comportement suite à la naturalisation. Ces allégations ne sont toutefois pas, à elles seules, à même de prouver l'existence d'une véritable communauté conjugale au moment de la signature de la déclaration commune: elles ne sont du reste pas de nature à expliquer la fin subite de la vie d'un couple marié depuis près de neuf ans.
Le recourant semble aussi faire grief à l'instance précédente d'avoir constaté que l'absence de descendance commune était une source à tout le moins latente de conflit. Il souligne à cet égard que les époux avaient pris conscience avant la conclusion du mariage du fait que B._ aurait pu avoir des difficultés à rester enceinte, mais que, dès que celle-ci était tombée enceinte pour la première fois en 2002, le couple avait légitimement nourri l'espoir que peut-être ils auraient des enfants. L'intéressé précise qu'ils avaient même consulté un médecin en vue d'entamer une cure hormonale en Belgique qu'ils ont abandonnée par la suite, faute de moyens financiers. Les arguments à l'appui du grief du recourant tendent plutôt à renforcer la constatation opérée par le Tribunal administratif fédéral et ne démontrent pas à tout le moins que cet élément n'était pas une source de tension. Par ailleurs, il ne ressort pas de l'arrêt attaqué que la présence d'enfants dans un couple serait l'élément qui définit la notion de mariage ou de communauté conjugale, ainsi que le dénonce le recourant.
Le recourant affirme également que les discussions autour de la religion ou la politique n'ont pas posé un frein à l'épanouissement du couple, son ex-épouse ayant un père musulman et respectant sa religion. Cet élément ne peut être retenu car il est contredit par la déclaration de l'ex-épouse faisant état que la confrontation régulière avec les informations "politico-religieuses post 11 septembre" avait posé problème "à la longue" et était devenue pesante pour elle.
De même, l'ex-épouse a déclaré qu'ils ne partageaient pas assez de moments ensemble, de sorte que l'argument avancé par le recourant tendant à relever que le couple passait toutes les vacances ensemble, notamment au Maroc pour rendre visite à leurs familles ne suffit pas à renverser la présomption.
Le recourant explique encore qu'en l'absence d'enfant et chacun travaillant, il paraissait logique, également au regard de l'économie de procédure, que les conjoints optent directement pour la procédure de divorce sans officialiser au préalable une séparation ou sans mettre en oeuvre des mesures protectrices de l'union conjugale. Cet élément n'est pas pertinent, puisqu'il ne permet pas d'établir qu'au moment de la signature de la déclaration commune, l'harmonie existait toujours au sein du couple au point d'envisager la continuation de la vie commune. Il en va de même du fait que l'ex-épouse a été soutenue par les membres de sa belle-famille durant les moments difficiles causés par ses fausses couches. Le recourant n'a en outre fait entendre aucun témoin, produit aucune pièce qui aurait permis de se prononcer sur l'intensité du lien conjugal existant entre les époux durant la période déterminante.
Enfin, le fait - dont se prévaut le recourant - que la vie commune du couple a duré près de onze ans est sans pertinence pour l'examen de la question de savoir s'il y a eu obtention frauduleuse de naturalisation au sens de l'art. 41 LN au moment déterminant, vu la jurisprudence susmentionnée.
2.1.5 En définitive, même si certains des arguments mentionnés par l'instance précédente - ainsi la différence d'âge entre les époux - ne sont pas pertinents, les éléments avancés par le recourant ne suffisent pas à renverser la présomption établie. Il en découle que les conditions d'application de l'art. 41 LN sont réunies et que le Tribunal administratif fédéral n'a pas abusé de son pouvoir d'appréciation et n'a pas versé dans l'arbitraire en confirmant l'annulation de la naturalisation facilitée qui avait été octroyée au recourant.
3. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 francs, sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué au recourant, à l'Office fédéral des migrations et au Tribunal administratif fédéral, Cour III.
Lausanne, le 22 décembre 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Tornay Schaller