Sachverhalt:
A. A.a Der 1960 geborene H._ meldete sich am 31. Mai 2007 zum Leistungsbezug bei der Invalidenversicherung an (berufliche Massnahmen/Invalidenrente). Nach Durchführung erwerblicher und medizinischer Abklärungen, namentlich unter Berücksichtigung der Ergebnisse des polydisziplinären Gutachtens der Medizinischen Abklärungsstelle vom 10. Januar 2008, verneinte die IV-Stelle des Kantons Zürich mit Verfügung vom 31. Juli 2008 einen Leistungsanspruch (Invaliditätsgrad von 31 %).
A.b Die dagegen erhobene Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom vom 12. Februar 2010 ab. Die II. sozialrechtliche Abteilung des Bundesgerichts hob mit Urteil 9C_232/2010 vom 13. Oktober 2010 den vom kantonalen Gericht auf Fr. 60'337.- festgelegten Validenlohn auf Fr. 65'345.- an. Darüber hinaus wies es die Sache zur Feststellung des zumutbaren Leistungsvermögens an die Vorinstanz zurück.
B. Das Sozialversicherungsgericht ermittelte nach erneuter Prüfung der Sache einen Invaliditätsgrad von 18 % und verneinte einen Anspruch auf Rentenleistungen (Entscheid vom 18. Februar 2011).
C. H._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und beantragen, es sei ab 29. September 2006 eine Viertelsrente der Invalidenversicherung zuzusprechen. Eventualiter sei die Sache an die Vorinstanz zu weiterer Abklärung zurückzuweisen.
Die Vorinstanz verzichtet auf eine Stellungnahme, und die IV-Stelle schliesst auf Abweisung der Beschwerde. Das Bundesamt für Sozialversicherungen liess sich nicht vernehmen.

Erwägungen:
1. Mit der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten (Art. 82 ff. BGG) kann u.a. die Verletzung von Bundesrecht gerügt werden (Art. 95 lit. a BGG). Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Artikel 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG). Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat. Es kann die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz von Amtes wegen berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Artikel 95 beruht (Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG).
2. Die Vorinstanz legte zutreffend die Bestimmungen über den Begriff der Invalidität (Art. 8 ATSG) und die Bemessung des Invaliditätsgrades bei erwerbstätigen Versicherten nach der allgemeinen Methode des Einkommensvergleichs (Art. 16 ATSG) dar. Darauf ist zu verweisen. Zu ergänzen ist, dass ein Invaliditätsgrad von mindestens 40 % Anspruch auf eine Viertelsrente der Invalidenversicherung gibt (Art. 28 Abs. 1 IVG in der bis zum 31. Dezember 2007 gültigen Fassung und Art. 28 Abs. 2 IVG in Kraft ab 1. Januar 2008).
3. Zu prüfen ist der Anspruch auf eine Invalidenrente, wobei die Leistungsfähigkeit in einer den Leiden angepassten Beschäftigung streitig ist.
3.1 Die Vorinstanz erwog, das Gutachten der MEDAS vom 10. Januar 2008 sei mit Bezug auf die erhobenen Befunde und die Einschätzung des Leistungsvermögens ausführlich begründet und nachvollziehbar. Mit Blick auf die geringfügigen rheumatologischen Befunde wiesen die Gutachter einleuchtend eine vollständige Leistungsfähigkeit in einer leichten bis mittelschweren Tätigkeit nach. Das psychiatrische Teilgutachten vom 10. Oktober 2007 der MEDAS widerlege überzeugend die durch Dr. med. S._ gestellte Diagnose einer mittelschweren bis schweren depressiven Störung und die in der Expertise attestierte maximal 30%ige Arbeitsunfähigkeit sei schlüssig als Folge einer leichten depressiven Episode und einer Symptomausweitung erklärt. Bei der Symptomausweitung handle es sich sodann nicht um eine eigentliche Diagnose, sondern um ein Symptom und die depressive Episode stelle definitionsgemäss ein lediglich vorübergehendes Leiden dar. Unter zumutbarer Willensanstrengung sei der Beschwerdeführer in der Lage, die relativ geringfügige psychische Störung zu überwinden. Die psychisch bedingte Leistungseinbusse sei in diesem Lichte rechtlich nicht zu beachten.
3.2 Dagegen trägt der Beschwerdeführer vor, es sei auf das Gutachten der MEDAS vom 10. Januar 2008 abzustellen und von einer Leistungseinschränkung von 30 % in einer zumutbaren Beschäftigung auszugehen. Zur Frage der willentlichen Schmerzüberwindung finde sich im Gutachten nichts. Es sei allerdings anzunehmen, die Gutachter hätten sich dazu geäussert, falls sie von der Überwindbarkeit der Beschwerden ausgegangen wären. Die in diese Richtung zielende Auffassung des kantonalen Gerichts bedürfe jedenfalls der vorherigen Abklärung.
4. 4.1 Bei den vorinstanzlichen Feststellungen zum Gesundheitszustand und zur Arbeitsfähigkeit der versicherten Person handelt es sich grundsätzlich um Entscheidungen über eine Tatfrage (<ref-ruling> E. 3.2 S. 397 ff.). Frei überprüfbare Rechtsfrage ist, ob ein ärztlicherseits diagnostiziertes Leiden den Rechtsbegriff der invalidisierenden Krankheit im Sinne von Art. 4 Abs. 1 IVG erfüllt (Urteil 9C_408/2010 vom 22. November 2010 E. 4.1, Urteil 8C_513/2009 vom 2. September 2009 E. 4.3; THOMAS LOCHER, Die invaliditätsfremden Faktoren in der rechtlichen Anerkennung von Arbeitsunfähigkeit und Invalidität, in: Schmerz und Arbeitsunfähigkeit, 2003, S. 245). Dabei schliesst die Prüfung die Frage ein, inwiefern die ärztliche Einschätzung der psychisch bedingten Arbeitsunfähigkeit invaliditätsfremde Gesichtspunkte (insbesondere psychosoziale und soziokulturelle Belastungsfaktoren; vgl. zu deren Bedeutung für die Frage des invalidisierenden Charakters einer somatoformen Schmerzstörung: Urteil 9C_161/2009 vom 18. September 2009 E. 2.2 in fine mit Hinweisen) mitberücksichtigt (<ref-ruling> E. 2.2.5 S. 355 f.; Urteil 9C_511/2009 vom 30. November 2009 E. 4.3.1; Urteil 8C_144/2010 vom 4. August 2010 E. 3.2; vgl. Urteil 8C_478/2007 vom 19. Juni 2008 E. 3.3.1).
4.2 Grundsätzlich bedarf es für die Annahme eines invalidisierenden Gesundheitsschadens einer fachärztlichen Diagnose, die sich lege artis auf die Vorgaben eines anerkannten Klassifikationssystems abstützt (<ref-ruling> E. 6 S. 399 ff.; 9C_510/2009 vom 30. August 2010 E. 3.2.3). Im Rahmen der freien Beweiswürdigung (Art. 61 lit. c ATSG) darf sich dabei die Verwaltung - und im Streitfall das Gericht - weder über die den beweisrechtlichen Anforderungen (<ref-ruling> E. 3a S. 352) genügenden medizinischen Tatsachenfeststellungen hinwegsetzen noch sich die ärztlichen Einschätzungen und Schlussfolgerungen zur (Rest-)Arbeitsfähigkeit unbesehen ihrer konkreten sozialversicherungsrechtlichen Relevanz und Tragweite zu eigen machen. Die rechtsanwendenden Behörden haben mit besonderer Sorgfalt zu prüfen, ob die ärztliche Einschätzung der Arbeitsunfähigkeit auch invaliditätsfremde Gesichtspunkte (insbesondere psychosoziale und soziokulturelle Belastungsfaktoren) mitberücksichtigt, welche vom sozialversicherungsrechtlichen Standpunkt aus unbeachtlich sind (vgl. <ref-ruling> E. 5a S. 299; AHI 2000 S. 149, I 554/98 E. 3). Wo psychosoziale Einflüsse das Bild prägen, ist bei der Annahme einer rentenbegründenden Invalidität Zurückhaltung geboten (vgl. <ref-ruling> E. 5a S. 299; Urteil 9C_225/2009 vom 6. Juli 2009 E. 3.3).
4.3 Die Vorinstanz stellte verbindlich eine leichte depressive Episode als psychische Gesundheitsbeeinträchtigung fest (Art. 105 Abs. 1 BGG). Zu ergänzen ist, dass diese auf dem Boden einer rezidivierenden depressiven Störung (ICD-10 F33) besteht (Art. 105 Abs. 2 BGG). Das kantonale Gericht erwähnte sodann keine psychosozialen Belastungsfaktoren, welche allenfalls dem Krankheitswert der psychischen Gesundheitsschädigung entgegenstünden (<ref-ruling> E. 5a S. 299). Hingegen handelt es sich bei der leichten depressiven Episode definitionsgemäss um ein vorübergehendes Leiden (DILLING/MAMBOUR/SCHMIDT [Hrsg.], Internationale Klassifikation psychischer Störungen: ICD-10 Kapitel V(F): Klinisch diagnostische Leitlinien, 7. Aufl. 2010, S. 155 ff.), dem es am Krankheitscharakter fehlt. Dies gilt umso mehr, als die Episode leichten Grades ist (Urteil 8C_953/2010 vom 29. April 2011 E. 5.3). Daran ändert nichts, dass sie gemäss psychiatrischem Teilgutachten vom 10. Oktober 2007 vor dem Hintergrund einer rezidivierenden depressiven Störung diagnostiziert ist. Dabei handelt es sich wohl um einen Befund, der seinerseits durch wiederholte depressive Episoden charakterisiert ist. Die Besserung zwischen den Episoden ist jedoch im Allgemeinen vollständig. In concreto sind denn auch keine Anhaltspunkte für einen anhaltenden depressiven Zustand aktenkundig. Demzufolge ist keine die Leistungsfähigkeit beeinträchtigende psychische Erkrankung im Sinne des Gesetzes festgestellt (Art. 4 Abs. 1 IVG). Die ebenfalls erhobene Symptomausweitung hat gemäss Gutachten vom 10. Oktober 2007 des Dr. med. M._, Facharzt für Psychiatrie und Psychotherapie, keinen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, weshalb auf dieses Beschwerdebild nicht weiter einzugehen ist (vgl. Urteil 8C_1033/2009 vom 19. März 2010 E. 2.3.2). Schliesslich bedarf nach dem Gesagten die von der Vorinstanz erörterte willentlichen Überwindbarkeit der depressiven Störung nicht der Auseinandersetzung.
5. Das kantonale Gericht ist bundesrechtskonform von einer dem Beschwerdeführer vollzeitlich zumutbaren leichten bis mittelschweren Erwerbstätigkeit ausgegangen. Der gestützt darauf ermittelte Invalidenlohn von Fr. 53'278.- ist nicht umstritten (<ref-ruling> E. 1b und 2c S. 415 ff.; 110 V E. 4a S. 53). Die Gegenüberstellung mit dem Valideneinkommen in der Höhe von Fr. 65'345.- ergibt einen Invaliditätsgrad von 18 %, welcher zu keiner Rente der Invalidenversicherung berechtigt (Art. 28 Abs. 2 IVG).
6. Dem Prozessausgang entsprechend sind die Gerichtskosten dem unterliegenden Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG).

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 Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 29. Juni 2011
Im Namen der II. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Meyer Ettlin