Faits: A. A.a X._, né en 1962, et Y._, née en 1966, se sont mariés le 21 septembre 1996. Deux enfants sont issus de cette union, soit A._, née en 1997, et B._, né en 1999. Les époux se sont séparés en mai 2005. A.b Par jugement du 21 février 2008, le Tribunal de première instance de Genève a prononcé le divorce des époux, sur requête commune avec accord complet. Il a entériné la convention des parties du 12 janvier 2007 sur les effets accessoires du divorce et le sort des enfants, dont il ressort en substance ce qui suit au sujet de l'entretien de la famille: il est donné acte à X._ de son engagement à verser à Y._, à titre de contribution de son entretien, par mois et d'avance, la somme de 4'000 fr. jusqu'au 31 mars 2017, contribution réduite à la somme mensuelle de 2'000 fr. à compter du 1er avril 2017 jusqu'au 31 mars 2024 inclus, sous réserve de la réduction de la dite contribution d'entretien selon les modalités plus précises déterminées à l'art. 4.1 de la convention. L'art. 4.1 de la convention prévoyait notamment que la contribution d'entretien due à l'épouse serait réduite de la tranche des revenus réalisés le cas échéant par celle-ci, excédant la somme de 5'000 fr. bruts par mois. En outre, le droit à l'entretien cesserait avec effet immédiat en cas de remariage ou de concubinage qualifié. Il est donné acte à X._ de son engagement à verser à Y._, à titre de contribution à l'entretien de chacun des enfants, par mois et d'avance, allocations familiales ou d'étude non comprises, la somme de 2'000 fr., ce jusqu'à leur majorité et au-delà, mais jusqu'à l'âge de 25 ans révolus au plus, en cas d'études sérieuses et suivies. Il est donné acte à X._ de son engagement à s'acquitter des frais suivants, jusqu'à ce que chacun des enfants ait atteint sa majorité ou l'âge de 25 ans révolus, [...]: les primes d'assurance maladie des enfants, avec la franchise y relative; les frais exceptionnels (orthodontie, ophtalmologie ou autre) auxquels l'un ou l'autre des enfants serait exposé; les frais relatifs aux activités sportives, culturelles et extrascolaires de chacun des enfants, leurs frais de transport, de vacances et d'habillement lorsqu'ils se trouvent sous la garde de leur mère, cela à concurrence d'un plafond annuel de 30'000 fr.; les frais d'écolage de chacun des enfants. Il est donné acte à X._ de ce qu'il concède à Y._ un droit d'habitation inconditionnel dans l'immeuble dont il est propriétaire à F._ à Genève et ce, jusqu'au 31 décembre 2024 inclus, étant précisé qu'au cas où Y._ viendrait à quitter ce domicile avant le 31 décembre 2024, les frais de relogement pour un logement de nature similaire à la date valeur du 1e janvier 2007 seront pris en charge par X._, [...], à hauteur de 6'500 fr. Il est donné acte à X._ de son engagement inconditionnel de verser, le 30 juin 2007 au plus tard, un montant en capital de 300'000 fr. en faveur de chacun des enfants, [...]. Dans son préambule, la convention indiquait que X._ était consultant auprès de la société C._ et percevait des revenus annuels bruts de l'ordre de 540'000 fr.; Y._ était administratrice de la société D._, qui ne lui versait aucun salaire. Durant la procédure, X._ a déclaré, en juin 2007, révoquer partiellement son accord à la convention de divorce. Il entendait notamment réduire la contribution d'entretien due à son épouse à 2'000 fr. par mois et renoncer à prendre en charge les frais de relogement de celle-ci en cas de déménagement. A l'appui de son propos, il faisait valoir, d'une part, que la convention était viciée car négociée par leur avocat commun qui entretenait une relation amoureuse avec Y._, et, d'autre part, que ses revenus avaient substantiellement et régulièrement diminué entre 2002 et 2006. Finalement, il a confirmé son accord en audience du 7 février 2008. B. B.a Par acte déposé le 21 janvier 2010, X._ a demandé la modification du jugement de divorce dans le sens suivant: la suppression dès octobre 2009 de la contribution d'entretien due à Y._; la diminution de la contribution à l'entretien de chacun des enfants à 1'000 fr. par mois; le paiement par moitié, par chacun des parents, des frais liés à l'assurance maladie des enfants et des frais exceptionnels; la prise en charge par moitié, par chacun des parents, des frais relatifs aux activités sportives, culturelles et extrascolaires, ainsi que les frais de transport, de vacances et d'habillement des enfants quand ils sont sous la garde de leur mère, à concurrence d'un plafond annuel de 12'000 fr. pour X._; le paiement par moitié, par chacun des parents, des frais d'écolage des enfants, à concurrence d'un plafond annuel de 15'000 fr. pour X._; la suppression des frais de relogement de Y._ au cas où celle-ci déménagerait. A l'appui de sa requête, X._ a fait valoir, en substance, deux motifs. Premièrement, sa situation financière s'était sérieusement péjorée: les contrats avec les principaux clients de sa société C._, dont il est administrateur unique, actionnaire et employé, n'avaient pas été renouvelés durant le deuxième semestre 2008, de sorte que son revenu avait diminué pour atteindre 111'729 fr. en 2008 et 145'813 fr. en 2009; secondement, Y._ vivait en concubinage. Par jugement du 14 octobre 2010, communiqué aux parties le 18 octobre 2010, le tribunal a intégralement rejeté la demande de X._. En substance, il a considéré que le demandeur faisait valoir pour l'essentiel les mêmes arguments que ceux qu'il avait déjà invoqués lors de la procédure en divorce, de sorte que la demande de modification était en réalité un appel déguisé. Par ailleurs, les allégués du demandeur sur sa situation financière étaient erronés et lacunaires, celui-ci n'admettant un fait que lorsqu'il était questionné sur un élément précis. Il n'y avait donc pas lieu d'ouvrir des enquêtes et "d'aller à la pêche aux informations". Ayant dissimulé une partie de ses revenus et de sa fortune, X._ avait échoué à apporter la preuve d'une modification notable et durable de sa situation financière. B.b Reprenant pour l'essentiel ses conclusions de première instance, X._ a interjeté un appel contre ce jugement auprès de la Cour de justice du canton de Genève, qui l'a rejeté par arrêt du 17 juin 2011. C. Par acte posté le 24 août 2011, X._ interjette un recours en matière civile contre cet arrêt. Il conclut, principalement, à son annulation et au renvoi de la cause à l'instance cantonale pour nouvelle décision après avoir procédé aux mesures d'instruction complémentaires requises et, subsidiairement, à son annulation et à sa réforme dans le sens de ses conclusions prises en procédure cantonale. En substance, il se plaint d'arbitraire dans l'application du droit de procédure cantonal et dans l'établissement des faits (art. 9 Cst.), ainsi que de la violation des art. 6 CEDH, 29 al. 2 Cst., 8, 125 et 286 al. 2 CC. Des observations n'ont pas été requises. 