Sachverhalt:
A. Der 1960 geborene H._ meldete sich am 7. Dezember 2001 zufolge einer unfallbedingten Schulterverletzung bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Nach der Umschulung zum technischen Kaufmann verneinte die IV-Stelle des Kantons Graubünden einen Anspruch auf eine Invalidenrente (Verfügung vom 6. Oktober 2005). Wegen eines am 16. September 2007 erlittenen Auffahrunfalles meldete sich H._ am 30. September 2008 erneut bei der Invalidenversicherung. Mit Verfügung vom 24. Juni 2010 sprach ihm die IV-Stelle des Kantons Zürich eine ganze Invalidenrente mit Wirkung ab 1. September 2008 zu (Invaliditätsgrad von 88 %).
B. Die AXA Stiftung Berufliche Vorsorge, Winterthur (AXA), bei welcher H._ berufsvorsorgeversichert war, erhob Beschwerde und beantragte die Aufhebung der Verfügung vom 24. Juni 2010. Die IV-Stelle schloss sich der Antragstellung der AXA an, wogegen der beigeladene H._ die Abweisung der Beschwerde verlangte. Das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich hiess die Beschwerde mit Entscheid vom 20. Dezember 2010 gut.
C. H._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen mit dem Rechtsbegehren, die Verfügung der IV-Stelle vom 24. Juni 2010 sei, in Aufhebung des angefochtenen Entscheids, zu bestätigen. Eventualiter seien ergänzende Abklärungen anzuordnen.
D. Mit Verfügung vom 21. Juli 2011 wies das Bundesgericht das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wegen Aussichtslosigkeit des Prozesses ab.

Erwägungen:
1. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann wegen Rechtsverletzung gemäss Art. 95 und Art. 96 BGG erhoben werden. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt zugrunde (<ref-law>). Von diesen tatsächlichen Feststellungen kann es nur dann abweichen, wenn sie offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruhen (<ref-law>) und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>).
2. Vorab zu prüfen ist die Rüge, das kantonale Gericht habe der richterlichen Begründungspflicht nicht Genüge getan, weil der angefochtene Entscheid vom 20. Dezember 2010 mittels Verweises auf den im UVG-Verfahren ergangenen Entscheid der Vorinstanz vom 16. Dezember 2010 begründet werde.
2.1 Wesentlicher Bestandteil des Anspruchs auf rechtliches Gehör ist die Begründungspflicht. Diese soll verhindern, dass sich die Behörde von unsachlichen Motiven leiten lässt, und dem Betroffenen ermöglichen, die Verfügung oder den Entscheid gegebenenfalls sachgerecht anzufechten (<ref-ruling> E. 5.2 S. 236; <ref-ruling> E. 4.1 S. 88; <ref-ruling> E. 3.1 S. 277; je mit Hinweisen). Dem genügt der angefochtene Entscheid. Die Begründungspflicht wird nicht dadurch verletzt, dass die Vorinstanz ausdrücklich auf die Erwägungen im Entscheid vom 16. Dezember 2010 verweist und diese sich im IV-Verfahren zu eigen macht. Rechtsprechungsgemäss stehen Verweise auf vorinstanzliche Entscheide der aus <ref-law> abzuleitenden Begründungspflicht nicht entgegen (Urteile 6B_523/2010 vom 15. September 2010 E. 3.2.2; 2C_125/2009 vom 4. August 2009 E. 2). Nichts anderes gilt, wenn das Gericht auf einen Entscheid verweist, welcher - wie hier - in einem sozialversicherungsrechtlichen Parallelverfahren gefällt worden ist. Dies gilt umso mehr, als das vorinstanzliche Gericht erläutert hat, weshalb die im UVG-Verfahren gezogenen Schlüsse auch auf den invalidenversicherungsrechtlichen Anspruch zutreffen. Eine sachgerechte Anfechtung des Entscheids vom 20. Dezember 2010 war somit möglich. Die Frage, ob die Vorinstanz rechtserhebliche IV-Akten unberücksichtigt gelassen hat, beschlägt nicht die Begründungspflicht, sondern ist unter dem Aspekt des offensichtlich unrichtig festgestellten Sachverhalts zu beurteilen (Art. 95 lit. a und <ref-law>).
2.2 Sodann geht der Einwand fehl, vor dem Beschreiten des Rechtsweges hätte die AXA dem Versicherten Gelegenheit zur Stellungnahme geben müssen. Das Beschwerderecht der Vorsorgeeinrichtung richtet sich nach <ref-law>. Ein vorgängig zu gewährendes Anhörungsrecht ist gesetzlich nicht vorgesehen. Zudem beginnt der Fristenlauf von 30 Tagen mit der Verfügungseröffnung (<ref-law>). Zeitlicher Raum für ein förmliches Vernehmlassungsverfahren besteht in diesem Lichte nicht. Ebenso wenig verstösst der von der Vorsorgeeinrichtung eingeschlagene Rechtsmittelweg gegen das Vertrauensprinzip. Ferner ist nicht erkennbar, weshalb die IV-Stelle verpflichtet gewesen wäre, die Vernehmlassung vor kantonalem Gericht zuvor dem Beschwerdeführer zur Stellungnahme zu unterbreiten. Die Verfahrensführung oblag dem vorinstanzlichen Gericht (<ref-law>), wobei der Versicherte zum Verfahren beigeladen war und ihm in diesem das rechtliche Gehör gewährt wurde.
3. Streitig ist der Anspruch auf eine Rente der Invalidenversicherung.
3.1 Die Vorinstanz stellte in tatsächlicher Hinsicht fest, es seien weder unfallfremde invalidisierende Faktoren vorhanden noch würden solche geltend gemacht. Die im Verfahren gegen die Unfallversicherung getroffenen Feststellungen zum Gesundheitszustand seien daher auch für die Belange der Invalidenversicherung massgeblich, zumal die Wartezeit gemäss <ref-law> einen halben Monat vor der Einstellung des Unfalltaggeldes abgelaufen sei. Wegen der Überwindbarkeit der ausschliesslich zu beurteilenden Beschwerden nach HWS-Distorsion sei keine rentenbegründende Invalidität gegeben (<ref-ruling>).
3.2 Der Beschwerdeführer bringt nichts vor, was den angefochtenen Entscheid als bundesrechtswidrig erscheinen liesse (Art. 97 Abs. 1 und Art. 95 lit. a BGG). Soweit er geltend macht, der medizinische Sachverhalt sei anhand der IV-Akten und nicht der Akten der Unfallversicherung festzustellen, übersieht er das Fehlen unfallfremder Befunde. Die Akten der SUVA bilden zudem Bestandteil derjenigen der IV-Stelle. Der Beschwerdeführer beschränkt sich darüber hinaus weitgehend auf appellatorische Einwendungen gegen die Feststellungen zum Gesundheitszustand. Insbesondere kann dahingestellt bleiben, wie sich die gesundheitlichen Verhältnisse nach der Leistungseinstellung durch die SUVA am 30. September 2008 entwickelt haben. Denn unstrittig steht die fehlende Organizität der Symptome fest, welche nach den verbindlichen Feststellungen im angefochtenen Entscheid (E. 1) dem Beschwerdebild nach HWS-Distorsion zuzuordnen sind. Dabei handelt es sich um ein pathogenetisch-ätiologisch unklares syndromales Beschwerdebild, dessen Überwindbarkeit sich anhand derselben Kriterien beurteilt wie die willentliche Schmerzüberwindung bei einer somatoformen Schmerzstörung (<ref-ruling> E. 3.2.3 S. 283; <ref-ruling> E. 2.2.3 S. 353). Der Einwand, die erfolglosen Eingliederungsbemühungen seien Beleg für die Unüberwindbarkeit der Schmerzsymptomatik, ist unbehelflich. Die Eingliederungsziele erreichte der Versicherte bis Juli 2009 gut. Selbst wenn das Kriterium der unbefriedigenden Behandlungsergebnisse trotz konsequent durchgeführter Behandlungsbemühungen und gescheiterter Rehabilitationsmassnahmen bei vorhandener Motivation und Eigenanstrengung erfüllt wäre, liesse dies nicht den Schluss auf die Unüberwindbarkeit der syndromalen Befunde zu. Auch der Beschwerdeführer macht nicht geltend, eines der darüber hinaus massgeblichen Kriterien sei mit der geforderten Intensität und Konstanz zu bejahen (<ref-ruling>; <ref-ruling> E. 2.2.3 S. 353; statt vieler Urteil 8C_591/2009 vom 27. November 2009 E. 4.2). Das kantonale Gericht verneinte die invalidisierende Wirkung des Leidens folglich mit Recht nicht nur für den Leistungsanspruch aus UVG, sondern auch aus IVG. Bei dieser Sachlage sind die Unterschiede in der Zumutbarkeitseinschätzung zwischen der Rehaklinik X._ im Austrittsbericht vom 29. Januar 2008 einerseits und des Dr. med. O._ (Bericht vom 8. September 2009) sowie des Regionalen Ärztlichen Dienstes (RAD) vom 1. Februar 2010 anderseits nicht zu erörtern. Dem Versicherten ist der Wiedereinstieg in den Arbeitsprozess so oder anders zuzumuten. Da der rechtserhebliche Sachverhalt rechtsgenüglich abgeklärt worden ist, durfte die Vorinstanz ohne Verletzung des Untersuchungsgrundsatzes auf die Anordnung weiterer Beweismassnahmen in antizipierter Beweiswürdigung verzichten (vgl. <ref-ruling> E. 4b S. 94; <ref-ruling> E. 1d S. 162). Dem Antrag, es sei die Sache zur Vornahme ergänzender Abklärungen zurückzuweisen, ist daher nicht stattzugeben. Das vorinstanzliche Gericht verneinte bundesrechtskonform eine Invalidität.
4. Soweit der Beschwerdeführer den Entzug der unentgeltlichen Verbeiständung während der Rechtshängigkeit des Verfahrens vor kantonalem Gericht rügt, ist auf die Beschwerde mangels schutzwürdigen Interesses nicht einzutreten (<ref-law>). Das kantonale Gericht hat gemäss angefochtenem Entscheid die unentgeltliche Rechtspflege vorbehaltlos und namentlich ohne zeitliche Beschränkung gewährt. Der Beschwerdeführer substanziiert in keiner Weise, inwiefern ein Anspruch über das Zugesprochene hinaus bestünde.
5. Dem Ausgang des Verfahrens entsprechend hat der Beschwerdeführer die Gerichtskosten zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 500.- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 16. September 2011
Im Namen der II. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Meyer
Der Gerichtsschreiber: Ettlin