Sachverhalt: A. A.a Das Kriminalgericht des Kantons Luzern verurteilte X._ am 29. Januar 2010 wegen Betrugs (Art. 146 Abs. 1 StGB) zu einer bedingten Geldstrafe von 60 Tagessätzen zu je Fr. 150.--. Gegen dieses Urteil legten X._ Appellation und die Staatsanwaltschaft Anschlussappellation ein. Das Obergericht des Kantons Luzern bestätigte am 15. Februar 2011 den erstinstanzlichen Entscheid. A.b Der Verurteilung liegt folgender Sachverhalt zugrunde: X._ war Inhaber der A._-Apotheke in Luzern, welche er seit Jahrzehnten alleine führte. Nach einer Erkrankung im Jahre 1991 zog er sich langsam aus dem aktiven Geschäft zurück und stellte seinen Sohn B._ als Mitarbeiter und seit Anfang 1993 als Geschäftsführer an. Die Umsätze und Gewinne der Apotheke beruhten unter der Geschäftsführung von B._ zu einem grossen Teil auf illegalen Geschäftspraktiken, da verschreibungspflichtige Medikamente ohne Rezept und ohne Vorliegen eines Not- bzw. begründeten Ausnahmefalls abgegeben und Medikamente systematisch gestützt auf abgelaufene, mit Tipp-Ex manipulierte Dauerrezepte verrechnet wurden. X._ arbeitete seit der Übernahme der Geschäftsführung durch seinen Sohn ab 1993 bis ca. Ende 1996 als Stellvertreter regelmässig (einen Tag pro Woche) und danach noch sporadisch in der Apotheke. Er hatte von den erwähnten illegalen Praktiken seines Sohnes Kenntnis. Im Jahre 2000 verkaufte er die A._-Apotheke. Dabei verschwieg er der Käuferschaft, dass die in der Buchhaltung ausgewiesenen Umsätze und Bruttogewinne zu einem grossen Teil auf während Jahren in der Apotheke ausgeübte, illegale Geschäftspraktiken zurückzuführen waren. Umsatz und Gewinn der Apotheke gingen nach der Übernahme massiv zurück. Hätte X._ die Käuferschaft über die Art und Weise des Zustandekommens der Umsätze und Gewinne nicht getäuscht, hätte diese nicht den zu hohen Kaufpreis von Fr. 547'639.55 bezahlt. B._ wurde vom Amtsstatthalteramt Entlebuch am 14. Januar 2008 wegen gewerbsmässigen Betrugs und mehrfacher Urkundenfälschung im Zusammenhang mit der Verrechnung von Medikamenten aufgrund nicht mehr gültiger Dauerrezepte und der Abgabe von nicht kassenpflichtigen Medikamenten auf Kosten der Krankenkasse verurteilt. Der Entscheid erwuchs in Rechtskraft. Die Verfahren gegen die Pharmaassistentinnen C._ und D._ wurden mit Strafverfügungen erledigt. B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit dem Antrag, das Urteil des Obergerichts vom 15. Februar 2011 aufzuheben und ihn vom Vorwurf des Betrugs freizusprechen. 