Sachverhalt: A. Mit Beschluss vom 8. November 2007 stellte der Stadtrat von Illnau-Effretikon die Gebäude Assek.-Nrn. 945 und 947 (samt Umschwung) auf der Parzelle Nr. 4372 an der Usterstrasse 3 in Illnau unter Schutz. Die beiden Gebäude, ein Hauptgebäude und ein freistehender Schopf in der Kernzone von Unter-Illnau, waren im kommunalen Inventar der kunst- und kulturhistorischen Schutzobjekte als "klassizistisches Wohnhaus mit ehemaliger Schmiede von 1880" aufgeführt. Das ursprünglich als bäuerliches Wohnhaus mit Scheune und Stall errichtete Gebäude wurde in den Jahren 1879 bis 1881 zum Wohnhaus mit Schmiede umgebaut und hat dabei die heutige architektonische Form und Erscheinung gefunden. Der freistehende Schopf wurde 1892 neu in Holz erstellt. Laut Unterschutzstellungsbeschluss kommt dem Gebäude einerseits eine bedeutende Ensemblewirkung im Rahmen der den unteren Dorfeingang von Unter-Illnau prägenden Häuser zu. Andererseits wird dem Handwerker- und Gewerbehaus eine überdurchschnittliche Architektur und Umraumgestaltung attestiert. Die baulichen Details seien in gutem Zustand erhalten. Aufgrund dieser Beschaffenheit und der Ensemblewirkung wird die Liegenschaft als geeignet angesehen, den Übergang von einem reinen Bauern- und Handwerkerdorf zu einem moderneren, verstädterten Siedlungskern zu dokumentieren, und deshalb als wichtiger Zeuge im Sinne von § 203 Abs. 1 lit. c des Gesetzes des Kantons Zürich vom 7. September 1975 über die Raumplanung und das öffentliche Baurecht (Planungs- und Baugesetz; LS 700.1) qualifiziert. Gegen den Beschluss des Stadtrats erhob X._ als Eigentümer der betroffenen Liegenschaft mit Eingabe vom 12. Dezember 2007 Rekurs an die Baukommission III des Kantons Zürich. Diese wies den Rekurs ab, soweit sie darauf eintrat. Ein gegen den Entscheid der Baukommission gerichtetes Rechtsmittel wies das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 3. September 2009 ab. B. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten an das Bundesgericht vom 10. Dezember 2009 beantragt X._, das Urteil des Verwaltungsgerichts sei insoweit aufzuheben, als folgende Anordnungen des Unterschutzstellungsbeschlusses bestätigt worden seien: 1. Im Hauptstandpunkt für das Wohnhaus die Erhaltung der inneren Struktur und Ausstattungselemente, für das Wohnhaus und den Ökonomieteil die Erhaltung der Türen und Fenster sowie die Erhaltung des Schopfes samt seines abgebauten Vordachs über dem südlichen Teil, 2. Im Eventualstandpunkt 2.1 für das Wohnhaus: 2.1.1 bezüglich der originalen Konstruktion: die Erhaltung der originären Grundrissteilung und der primären Erschliessung; 2.1.2 bezüglich der Ausstattungselemente der Fassaden: die Erhaltung der Türen und Fenster mit originalen Beschlägen; 2.1.3 die Erhaltung der primären Ausstattungselemente im Innern; 2.2 für den Ökonomieteil: 2.2.1 bezüglich der primären Ausstattungselemente der Fassaden: die Erhaltung der Türen und Fenster mit originalen Beschlägen; 2.2.2 die Erhaltung der primären Ausstattungselemente im Innern; 2.3 für den Schopf: die Erhaltung des abgebauten Vordaches im südlichen Teil. Eventualiter sei der angefochtene Entscheid aufzuheben und die Sache zur weiteren Abklärung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Der Beschwerdeführer beantragt zudem eine ergänzende Begutachtung. Das Verwaltungsgericht und die Stadt Illnau-Effretikon beantragen in ihrer jeweiligen Vernehmlassung die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei. In seiner Stellungnahme dazu hält der Beschwerdeführer im Wesentlichen an seinen Anträgen und Rechtsauffassungen fest. 