Faits: A. En 2004, les communes de Conthey et de Vétroz ainsi que le Service des routes et des cours d'eau du canton du Valais ont chargé un bureau spécialisé d'étudier la problématique des déplacements dans le périmètre intercommunal défini, à l'ouest, par la route communale (RC) 504, laquelle fait office de bretelle autoroutière, au nord par la rue des Grands Prés, à l'est par la route des Peupliers et au sud par les rues du Collège et des Fougères. Le mandat a été confié à X._, à Lausanne, qui, la même année, a établi un schéma directeur des déplacements (SDD). Ce document recommandait de créer, à court terme, une desserte du secteur commercial situé au sud de la RC T9, afin de délester en partie cette artère. La mesure préconisée revenait à réaménager la route des Rottes et à en prévoir le raccordement à la RC 504 par la construction d'un giratoire à trois branches. Par avis inséré dans le Bulletin officiel du 19 septembre 2008, les communes de Conthey et de Vétroz ont mis à l'enquête publique la réfection de la route des Rottes et une demande d'allègement en matière de bruit. La section concernée par cette publication mesure 510 mètres environ. Son tracé reprend celui de la route des Rottes jusqu'à l'avenue de Derborence, puis une desserte agricole sans nom jusqu'à la sortie de son intersection avec la route de Sécheron. Le raccordement à la RC 504, assuré par un giratoire, s'effectue environ 70 mètres plus loin. Le tronçon qui couvre cette distance de 70 mètres a fait l'objet d'une mise à l'enquête publique au Bulletin officiel du 26 septembre 2008 par le Département cantonal des transports, de l'équipement et de l'environnement. A Conthey, la portion à réaménager longe une zone "A1, artisanat et commerce - centre d'achats" selon l'art. 113bis du règlement communal des constructions et des zones (RCCZ), approuvé par le Conseil d'Etat les 10 juin 1997 et 8 mars 2006. Elle se trouve également bordée d'une zone "A1, artisanat et commerces" (art. 113 RCCZ) et, sur quelques mètres, d'une zone "résidence de plaine forte densité" (art. 106 RCCZ). La partie du projet située sur la commune de Vétroz traverse une zone agricole (cf. art. 80 du règlement communal des constructions [RCC], approuvé par le Conseil d'Etat le 6 décembre 2006). B. L'ouvrage mis à l'enquête par le Département cantonal des transports, de l'équipement et de l'environnement n'a suscité aucune opposition. Il a été approuvé par le Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication (DETEC) le 16 juillet 2009, décision restée inattaquée. La réfection de la route des Rottes et la demande d'allègement en matière de bruit ont fait l'objet de plusieurs oppositions, dont celles de B._ et de l'Association pour la sauvegarde des intérêts économiques des propriétaires d'immeubles de la zone agricole de Vétroz (ci-après: l'Association A._). Le 5 novembre 2008, les communes de Conthey et de Vétroz ont requis du Conseil d'Etat l'approbation du projet de réfection de la route des Rottes et l'octroi d'un allègement en matière de bruit. Elles ont proposé, le 27 novembre 2008 respectivement le 3 décembre 2008, la levée des oppositions qui leur étaient parvenues. Le dossier a été soumis aux différents services concernés. Il a été préavisé favorablement par le Service cantonal des routes et des cours d'eau (le 6 janvier 2009) et le Service de l'aménagement du territoire (actuellement le Service du développement territorial; le 13 janvier 2009). Le Service de la protection de l'environnement a délivré un préavis négatif (le 9 janvier 2009), qui a conduit les auteurs du projet à réexaminer les aspects liés au bruit. CSD Ingénieurs Conseils SA (ci-après: CSD), mandatée pour étudier cette problématique, a synthétisé les compléments et modifications requis dans un document du 13 février 2009, qui a reçu l'assentiment du Service de la protection de l'environnement le 17 mars 2009. La demande d'allègement en matière de bruit, dans sa nouvelle teneur, a été mise à l'enquête publique dans le Bulletin officiel du 24 avril 2009. Ni B._, ni l'Association A._ ne s'y sont opposés. C. Le 12 août 2009, le Conseil d'Etat a approuvé les plans du projet et déclaré les travaux d'intérêt public, en imposant la pleine compensation des surfaces d'assolement absorbées par la réalisation de l'ouvrage (1'370 m2) et le rétablissement des accès aux terrains agricoles en cours de construction. Il a accordé l'allègement en matière de bruit requis et rejeté les oppositions de B._ et de l'Association A._. Par arrêt du 12 mai 2010, la Cour de droit public du Tribunal cantonal du canton du Valais (ci-après: le Tribunal cantonal) a rejeté le recours de l'Association A._ et B._ contre la décision du Conseil d'Etat du 12 août 2009. Le Tribunal cantonal a considéré en substance que le principe de la coordination avait été respecté et que le projet était conforme à la législation fédérale en matière d'aménagement du territoire et d'environnement. D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, l'Association A._ et B._ demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal cantonal du 12 mai 2010 ainsi que la décision du Conseil d'Etat du 12 août 2009 en ce qui concerne l'approbation des plans routiers et l'octroi de l'allègement et de constater la nullité de la décision du DETEC du 16 juillet 2009. Subsidiairement, ils concluent au renvoi du dossier aux autorités communales et cantonales compétentes pour étude complémentaire et nouvelle décision dans le sens des considérants. Ils se plaignent pour l'essentiel d'une violation de leur droit d'être entendus et d'une mauvaise application du droit fédéral. Le Tribunal cantonal et le Conseil d'Etat renoncent à se déterminer. Les communes de Conthey et de Vétroz concluent au rejet du recours dans la mesure où il est recevable. Invité à présenter des observations, l'Office fédéral de l'environnement n'a constaté aucune violation du droit fédéral en matière d'environnement. Les recourants ainsi que les communes de Conthey et de Vétroz se sont déterminés à ce propos et maintiennent leurs conclusions respectives. Par ordonnance du 19 juillet 2010, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la demande d'effet suspensif contenue dans le recours. 