Faits: A. A._ exploite à Echallens un domaine agricole de 37,35 hectares consacrés à la production de viande bovine et aux grandes cultures. Il est propriétaire de la parcelle 209 du cadastre de la commune d'Echallens, sise en zone agricole, sur laquelle se trouvent deux bâtiments d'habitation portant les nos ECA 1092 et 1093. Ces deux constructions sont éloignées l'une de l'autre de quelques mètres. Le premier bâtiment est une villa familiale de 6,5 pièces - dont 5 chambres à coucher - à laquelle est accolé un studio indépendant; le second bâtiment comporte un logement à vocation agricole de 3,5 pièces. En janvier 2006, A._ a déposé une demande de permis de construire en vue d'agrandir la villa no ECA 1092 et d'y créer deux chambres supplémentaires de 14 m2 chacune. A l'appui de sa demande, il a exposé qu'il vivait dans cette villa avec ses quatre enfants dont il avait la garde (nés respectivement en 1988, 1990, 1994 et 1997), qu'après les transformations envisagées son fils aîné irait occuper le studio y attenant et que sa compagne, ainsi que les deux filles de cette dernière, habitaient avec eux. La municipalité d'Echallens (ci-après: la municipalité) a préavisé favorablement le projet le 7 février 2006. Mis à l'enquête publique du 24 février 2006 au 16 mars 2006, le projet n'a suscité aucune opposition. B. Le 3 avril 2006, la Centrale des autorisations du Département des infrastructures du canton de Vaud a transmis à la municipalité une synthèse comprenant notamment le refus du Service de l'aménagement du territoire (actuellement le Service du développement territorial; ci-après: le Service cantonal) de délivrer l'autorisation spéciale requise pour les constructions hors zones à bâtir et un préavis favorable du Service de l'agriculture. Par décision du 20 juin 2006, la municipalité a informé A._ qu'elle n'était pas en mesure de lui délivrer le permis sollicité. Constatant en outre que les travaux de transformation refusés avaient déjà débuté, elle a sommé l'intéressé de les interrompre avec effet immédiat. Elle l'a rendu attentif aux sanctions pénales auxquelles il s'exposait s'il n'obtempérait pas et au risque qu'il courait de devoir démolir les travaux exécutés sans droit. C. A._ a recouru au Tribunal administratif (actuellement la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal; ci-après: le Tribunal cantonal) contre les deux décisions susmentionnées. A l'appui de son recours, il exposait en substance que son fils aîné était en formation en vue d'obtenir un CFC d'agriculteur, qu'il avait terminé ses deux années d'apprentissage pratique à l'extérieur et travaillait dorénavant sur le domaine. Sa compagne et les deux filles de cette dernière vivaient également sous son toit depuis mars 2006. Enfin, sa mère, qui disposait d'un appartement à Echallens, se trouvait à l'hôpital et il n'était pas exclu, compte tenu de son état de santé, qu'elle revienne habiter avec lui. Le projet d'agrandissement avait par ailleurs été conçu de manière à ce que les volumes supplémentaires fussent parfaitement intégrés au bâtiment existant. Le Tribunal cantonal a procédé à une inspection locale le 22 janvier 2007. A cette occasion, il a été constaté que les aménagements litigieux étaient achevés, malgré l'avis de la municipalité sommant l'intéressé de cesser tous travaux. Interrogé à ce sujet, celui-ci a notamment exposé avoir décidé, compte tenu des tensions existant entre ses enfants, de commencer l'aménagement litigieux en juin 2006 alors qu'il était sans nouvelle de sa demande de permis de construire. A réception de la décision négative, il les a poursuivis dans le but de ne pas conserver indéfiniment sa villa en chantier et tout en étant pleinement conscient du risque de devoir, le cas échéant, démolir les transformations faites sans autorisation. Par arrêt du 1er mai 2007, le Tribunal cantonal a rejeté le recours et confirmé les décisions entreprises. Cet arrêt n'a pas été attaqué. D. Le 28 novembre 2008, la municipalité a enjoint A._ de démolir ce qui avait été construit sans autorisation et de rétablir la situation préexistante dans un délai au 30 septembre 2009, sous commination de l'art. 292 CP. Par arrêt du 20 juillet 2009, le Tribunal cantonal a rejeté le recours de l'intéressé et confirmé la décision de la municipalité du 28 novembre 2008, sous réserve du délai d'exécution qu'il a reporté au 31 décembre 2009. Il a considéré en substance qu'il n'y avait aucun motif de renoncer à une remise en l'état des lieux, A._ ne pouvant se prévaloir de sa bonne foi. E. A._ a porté sa cause devant le Tribunal fédéral, auquel il demande de réformer l'arrêt du Tribunal cantonal du 20 juillet 2009 en ce sens que "la décision de la municipalité du 28 novembre 2008 est dès lors réformée en ce sens qu'il est purement et simplement renoncé à ordonner l'exécution de l'arrêt rendu le 1er mai 2007 par le Tribunal cantonal." Subsidiairement il conclut à l'annulation de l'arrêt attaqué et au renvoi de la cause à la Cour cantonale pour nouvelle décision. Il se plaint d'une violation du principe de la proportionnalité et d'arbitraire. Le Tribunal cantonal conclut au rejet du recours et se réfère intégralement aux considérants de son arrêt. Le Service cantonal demande au Tribunal fédéral de rejeter le recours et confirmer l'arrêt attaqué. La municipalité a déposé des déterminations sans prendre de conclusions. L'Office fédéral du développement territorial a renoncé à déposer des observations. Par ordonnance du 16 septembre 2009, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la requête d'effet suspensif contenue dans le recours. 