Sachverhalt:
A. Der 1979 geborene russische Staatsangehörige B._ war vom 17. Oktober 2005 bis 28. Februar 2010 als wissenschaftlicher Assistent und Doktorand an der Hochschule M._ tätig. Er besass eine bis 30. Oktober 2010 gültig gewesene Aufenthaltsbewilligung (Ausländerausweis B) mit dem Aufenthaltszweck "Doktorand". Am 3. März 2010 meldete er sich nach Ablauf des befristeten Arbeitsverhältnisses zur Arbeitsvermittlung und zum Leistungsbezug bei der Arbeitslosenversicherung an. Das Amt für Wirtschaft und Arbeit des Kantons Zürich (AWA), Abteilung Arbeitslosenversicherung, verneinte mit Verfügung vom 10. Mai 2010 den Anspruch auf Arbeitslosenentschädigung mit der Begründung, der Versicherte sei nicht vermittlungsfähig, da der Aufenthalt in der Schweiz mit Abschluss der Doktorarbeit beendet sei und ihm keine Arbeitsbewilligung mehr erteilt werden könnte. Dies bestätigte das AWA mit Einspracheentscheid vom 17. September 2010 und hielt ergänzend fest, mit der Einschränkung des Aufenthaltszwecks (Doktorand) sei B._ nicht berechtigt, im Allgemeinen zumutbare Arbeit anzunehmen. Die Vermittlungsfähigkeit könne nur bejaht werden, wenn beim Finden einer Arbeit mit einer Arbeitsbewilligung gerechnet werden könne. Als russischer Staatsangehöriger werde ihm eine Arbeitsbewilligung nur erteilt, wenn kein Staatsangehöriger aus der Schweiz oder einer der Mitgliedstaaten der EU und EFTA für diese Stelle rekrutiert werden könne (Vorrang der Inländer), weshalb er nicht mit einer Arbeitsbewilligung habe rechnen können, was zur Vermittlungsunfähigkeit führe.
B. Die dagegen erhobene Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 29. April 2011 ab.
C. B._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegen führen und beantragen, in Aufhebung des vorinstanzlichen Entscheids sei sein Anspruch auf Arbeitslosenentschädigung zu bejahen.
Das AWA und das Staatssekretariat für Wirtschaft verzichten auf eine Vernehmlassung.

Erwägungen:
1. 1.1 Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten (<ref-law>) kann wegen Rechtsverletzung gemäss Art. 95 f. BGG erhoben werden. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>), und 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>).
1.2 Ferner gilt zu beachten, dass die Beweiswürdigung im Allgemeinen einschliesslich die Würdigung von Indizien und fallbezogene Wahrscheinlichkeitsüberlegungen Tatfragen betreffen (Urteil 8C_831/2008 vom 29. Mai 2009 E. 2.3; Ulrich Meyer, in: Basler Kommentar, Bundesgerichtsgesetz, 2008, N. 34 zu <ref-law>, und Markus Schott, in: Basler Kommentar, Bundesgerichtsgesetz, 2008, N. 29 zu <ref-law>, je mit Hinweisen), die das Bundesgericht lediglich auf offensichtliche Unrichtigkeit und Rechtsfehlerhaftigkeit hin zu überprüfen befugt ist (<ref-law>; vgl. E. 1.1 hiervor). Blosse Zweifel an der Richtigkeit der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung ändern an deren Verbindlichkeitswirkung gemäss <ref-law> nichts (vgl. die Hinweise in Urteil 9C_539/2007 vom 31. Januar 2008 E. 2.2.2).
2. 2.1 Da Staatsangehörige Russlands unbestrittenermassen nicht unter den Geltungsbereich des am 1. Juni 2002 in Kraft getretenen Abkommens vom 21. Juni 1999 zwischen der Schweizerischen Eidgenossenschaft einerseits und der Europäischen Gemeinschaft und ihren Mitgliedstaaten andererseits über die Freizügigkeit (FZA; SR 0.142.112.681) fallen, richtet sich der streitige Anspruch auf Arbeitslosenentschädigung allein nach innerstaatlichem schweizerischem Recht.
2.2 Das kantonale Gericht hat die Bestimmungen und Grundsätze zu den Anspruchsvoraussetzungen des Wohnens in der Schweiz (<ref-law>) und der Vermittlungsfähigkeit (Art. 8 Abs. 1 lit. f in Verbindung mit <ref-law>) richtig dargelegt. Darauf wird verwiesen. Es hat überdies zutreffend festgehalten, dass zur Vermittlungsfähigkeit die Arbeitsfähigkeit, die Vermittlungsbereitschaft und die Arbeitsberechtigung gehören. Wenn und solange keine Arbeitsberechtigung besteht, fehlt es auch an der Vermittlungsfähigkeit der versicherten Person und damit an ihrer Anspruchsberechtigung (<ref-ruling> E. 1b S. 378 mit Hinweisen). Ausländer ohne Niederlassungsbewilligung müssen grundsätzlich über eine Arbeitsbewilligung verfügen oder mit einer solchen rechnen können, falls sie eine zumutbare Arbeitsstelle finden (Thomas Nussbaumer, Arbeitslosenversicherung, in: Soziale Sicherheit, SBVR Bd. XIV, 2. Aufl. 2007, S. 2261 Rz. 269). <ref-law>, welcher <ref-law> für Ausländer ohne Niederlassungsbewilligung konkretisiert, betrachtet diese - abweichend von <ref-law> und <ref-law> - als in der Schweiz wohnend, wenn sie sich auf Grund einer Aufenthaltsbewilligung zur Erwerbstätigkeit oder einer Saisonbewilligung hier aufhalten. Für Ausländer ohne Niederlassungsbewilligung enthält der Begriff des Wohnens somit ein zusätzliches, fremdenpolizeiliches Element (Thomas Nussbaumer, a.a.O., S. 2234 Rz. 185; vgl. Art. 32 ff. des seit 1. Januar 2008 in Kraft stehenden Bundesgesetzes über die Ausländerinnen und Ausländer vom 16. Dezember 2005 [AuG; SR 142.20; in der hier anwendbaren, bis 31. Dezember 2010 gültig gewesenen Fassung]). Korrekt ist ferner, dass die Frage nach der Arbeitsberechtigung ausländischer Staatsangehöriger hinsichtlich der Vermittlungsfähigkeitsbeurteilung eine Vorfrage darstellt (<ref-ruling> E. 3a S. 382), die aufgrund einer individuell-konkreten und nicht einer generell-abstrakten Betrachtungsweise zu beurteilen ist. Im konkreten Einzelfall ist zu entscheiden, ob der Ausländer oder die Ausländerin über eine Arbeitsbewilligung verfügt oder mit einer solchen rechnen kann (<ref-ruling> E. 6a S. 383 mit Hinweisen). Die Vermittlungsfähigkeit beurteilt sich prospektiv, somit von jenem Zeitpunkt aus und auf der Basis der tatsächlichen Verhältnisse, wie sie bei Erlass der Ablehnungsverfügung bestanden hatten (<ref-ruling> E. 2 S. 387 mit Hinweisen).
3.1 3.1.1 Nach den unbestrittenen Feststellungen der Vorinstanz verfügte der Beschwerdeführer im Zeitpunkt seiner Anmeldung zum Leistungsbezug bei der Arbeitslosenversicherung im März 2010 über eine bis 30. Oktober 2010 gültige Aufenthaltsbewilligung B. Unter der Rubrik "Haupterwerb" der Bewilligungskopie wurde "Hochschule M._, Institut N._" vermerkt, an welcher er dementsprechend bis 28. Februar 2010 im Umfang von 75 % als wissenschaftlicher Assistent tätig gewesen war. Die Vorinstanz erwog weiter, dass sich dem Schreiben des kantonalen Migrationsamtes vom 5. Mai 2010 zudem entnehmen lasse, dass er nach Abschluss des Doktorats ausreisen müsse. Die Abteilung Arbeitsbewilligung des AWA habe überdies am 10. August 2010 die Auskunft erteilt, er könne nicht mit einer Bewilligung zum Stellenantritt rechnen, falls er ab 3. März 2010 eine Arbeitsstelle finden würde, da die "Aufenthaltsregelung" der Weiterbildung diene.
3.1.2 Das kantonale Gericht führte aus, der Beschwerdeführer habe sich bis zum Abschluss des Doktorats, welches er spätestens im Oktober 2011 hätte abschliessen müssen, in der Schweiz aufhalten dürfen. Der Hauptzweck seines Aufenthaltes sei die wissenschaftliche Tätigkeit im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Hochschule M._ gewesen. Die Erteilung einer neuen Arbeits- und Aufenthaltsbewilligung nach Abschluss seiner Doktorarbeit habe er zum damaligen Zeitpunkt nicht erwarten können. Die Annahme einer neuen Arbeit wäre bewilligungspflichtig gewesen, wobei er, da nicht aus einem EU- oder EFTA-Staat stammend, als Drittstaatenangehörger aufgrund des Inländervorranges geringe Chancen zur Erteilung einer Bewilligung zur Ausübung einer Erwerbstätigkeit gehabt hätte.
3.1.2 Das kantonale Gericht führte aus, der Beschwerdeführer habe sich bis zum Abschluss des Doktorats, welches er spätestens im Oktober 2011 hätte abschliessen müssen, in der Schweiz aufhalten dürfen. Der Hauptzweck seines Aufenthaltes sei die wissenschaftliche Tätigkeit im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Hochschule M._ gewesen. Die Erteilung einer neuen Arbeits- und Aufenthaltsbewilligung nach Abschluss seiner Doktorarbeit habe er zum damaligen Zeitpunkt nicht erwarten können. Die Annahme einer neuen Arbeit wäre bewilligungspflichtig gewesen, wobei er, da nicht aus einem EU- oder EFTA-Staat stammend, als Drittstaatenangehörger aufgrund des Inländervorranges geringe Chancen zur Erteilung einer Bewilligung zur Ausübung einer Erwerbstätigkeit gehabt hätte.
3.2 3.2.1 Was in der Beschwerde dagegen vorgebracht wird, führt zu keinem anderen Ergebnis. Das Argument, er wäre gestützt auf Art. 38 Abs. 2 AuG ohne weitere Bewilligung zu einem Stellenwechsel berechtigt gewesen, ist von vornherein nicht stichhaltig. Der Beschwerdeführer besass eine Aufenthaltsbewilligung B mit eingeschränktem Aufenthaltszweck als Doktorand an der Hochschule M._, weshalb ein Stellenwechsel fremdenpolizeilich zu bewilligen war (Art. 54 der Verordnung vom 24. Oktober 2007 über Zulassung, Aufenthalt und Erwerbstätigkeit [VZAE, SR 142.201; in der bis 31. Dezember 2010 in Kraft gestandenen, hier anwendbaren Fassung]; vgl. Schreiben des Migrationsamtes vom 5. Mai 2010).
3.2.2 Dem Beschwerdeführer ist zuzustimmen, dass er mit seiner akademischen Ausbildung zu den hochqualifizierten Berufsleuten zählt und ihm grundsätzlich ein Stellenwechsel nicht verwehrt ist, was auch Verwaltung und Vorinstanz nicht in Frage stellen. Mit Blick auf seinen Einwand, der Vorrang der Inländer stelle keine Hürde dar, da die Nachfrage nach qualifizierten Arbeitskräften das Angebot auf dem einheimischen Arbeitsmarkt (einschliesslich EU) deutlich übertreffe, übersieht er, dass das Ausländergesetz erst bei der konkreten Anstellung respektive dem Stellenantritt einen Inländervorrang vorsieht und die Zulassung zu einer unselbstständigen Erwerbstätigkeit erst zu diesem Zeitpunkt den Nachweis voraussetzt, dass keine dafür geeigneten inländischen Arbeitnehmer gefunden werden können (Art. 21 AuG; BGE 6B_277/2011 vom 3. November 2011 E. 1.5.2). Überdies braucht dieser Vorrang nach den Bestimmungen des AuG dann nicht geprüft zu werden, wenn eine Person aus einem Drittstaat in der Schweiz ein Studium abgeschlossen hat und ihre Erwerbstätigkeit von hohem wissenschaftlichem (Art. 30 Abs. 1 Bst. i AuG) oder wirtschaftlichem Interesse (Art. 30 Abs. 1 Bst. g und i AuG; Art. 47 Bst. a VZAE) ist. In diesen Fällen entfällt der arbeitgeberseitige Nachweis erfolgloser Rekrutierungsbemühungen in der Schweiz oder in der EU/EFTA (vgl. Bericht der Staatspolitischen Kommission des Nationalrates vom 5. November 2009 BBl 2010 427 445). Ob der vorliegende Sachverhalt von dieser Bestimmung erfasst wird, kann indessen offengelassen werden, da ein entsprechender Stellenantritt im Zeitpunkt der Anmeldung zum Leistungsbezug bei der Arbeitslosenversicherung gerade nicht bevorstand, weshalb sich die Frage nach dem Vorrang der Inländer nicht stellt.
3.2.3 Vielmehr war bereits bei der Beurteilung der Anspruchsberechtigung des Wohnens in der Schweiz gemäss Art. 8 Abs. 1 lit. c in Verbindung mit <ref-law> zu beachten, dass die Aufenthaltsbewilligung auf den 30. Oktober 2010 befristet und ausdrücklich zum Zweck des Doktorierens ausgestellt worden war. Dementsprechend hielt das Amt für Migration am 5. Mai 2010 auch fest, dass der Beschwerdeführer nach Abschluss des Doktorats aus der Schweiz ausreisen müsse. Lag nach Erlangung der Doktorwürde keine fremdenpolizeiliche Aufenthaltsbewilligung zur Ausübung einer Erwerbstätigkeit mehr vor, fehlte es an der Anspruchsvoraussetzung des Wohnens in der Schweiz (vgl. Urteile 8C_128/2010 vom 26. August 2010 E. 5 und ARV 2002 S. 46, C_405/00).
3.2.4 Nichts anderes ergibt sich aus dem in der Beschwerde angerufenen Urteil <ref-ruling>, da die jeweiligen kantonalen Verhältnisse massgebend sind (vgl. auch Urteil C 258/00 vom 6. August 2001 in: ARV 2002 S. 111). Wie in E. 6a erläutert, ist im konkreten Einzelfall zu entscheiden, ob der Ausländer oder die Ausländerin über eine Arbeitsbewilligung verfügt oder damit rechnen kann. Auch wenn es arbeitslosenversicherungsrechtlich gestützt auf eine konkrete Auskunft der zuständigen Behörde genügt, wenn die ausländische stellensuchende Person mit einer Bewilligung zur Ausübung einer Erwerbstätigkeit rechnen kann und in dem soeben erwähnten Urteil bei einer im Familiennachzug eingereisten Ausländerin mit dem Aufenthaltszweck "Verbleib beim Ehemann" die zuständige Behörde aufgrund der Arbeitsmarktlage und der kantonalen Verhältnisse davon ausging, dass mit einer Bewilligung gerechnet werden könne, wurde dies vorliegend gerade sowohl durch das AWA, Abteilung Arbeitsbewilligungen, als zuständige Arbeitsmarktbehörde (Stellungnahme vom 10. August 2010), als auch aus fremdenpolizeilicher Sicht durch das Migrationsamt, verneint.
3.3 Wenn die Vorinstanz daher mit Blick auf die prospektive Beurteilung der Vermittlungsfähigkeit zum Schluss gelangt ist, dass der Beschwerdeführer trotz spezialisierter Ausbildung mit Hochschulabschluss nicht mit einer neuen Arbeits- und Aufenthaltsbewilligung rechnen konnte, da der Aufenthaltszweck - entgegen den beschwerdeführerischen Darlegungen - ausdrücklich mit seiner Tätigkeit als Doktorand verbunden war und mit Abschluss der entsprechenden Doktorarbeit dahinfiel, ist dies nicht als offensichtlich unrichtig oder unhaltbar zu qualifizieren. Nach dem vorstehend Gesagten ist daher auch der spätere Stellenantritt (mit Kurzaufenthaltsbewilligung L) bei der X._ AG, worauf das kantonale Gericht bereits hinwies, nicht entscheidwesentlich. Bei Ablauf der Aufenthaltsbewilligung waren die Anspruchsvoraussetzungen des Wohnens in der Schweiz und der Vermittlungsfähigkeit nicht mehr erfüllt gewesen, weshalb der Anspruch auf Arbeitslosenentschädigung zu Recht verneint wurde.
4. Dem Prozessausgang entsprechend sind die Gerichtskosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 500.- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich und dem Staatssekretariat für Wirtschaft (SECO) schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 10. Februar 2012
Im Namen der I. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Ursprung
Die Gerichtsschreiberin: Polla