Faits: A. J._ a bénéficié de prestations de l'assurance-invalidité en 1972 et 1977 en raison d'une infirmité congénitale. Titulaire d'un baccalauréat passé en 1981, elle a obtenu un diplôme du cours de secrétariat de l'Ecole X._ en 1982, puis une licence en sciences économiques et sociales de l'Université Y._ en 1991. Du 1er décembre 1991 au 31 mai 1992, elle a travaillé à plein temps en qualité de fonctionnaire scientifique à l'Office Z._. Dès juillet 1992, elle a été engagée à 70 % comme employée dans le domaine informatique par l'entreprise W._, qui l'a licenciée pour raisons économiques avec effet au 31 mars 1993. D'avril 1993 à mai 1994, elle a effectué divers travaux de secrétariat. Alors qu'elle bénéficiait d'indemnités de l'assurance-chômage depuis le 1er juin 1994 tout en réalisant un gain intermédiaire, J._ a été mise en arrêt de travail à 70 % dès le 28 septembre 1994, puis à 100 % dès le 1er janvier 1996 par la doctoresse O._, psychiatre traitant, qui a diagnostiqué une névrose phobique et un état dépressif (rapport du 13 mars 1996). Par décision du 15 novembre 1996, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Neuchâtel (ci-après : l'office AI) a accordé à l'intéressée une rente entière d'invalidité à partir du 1er septembre 1995, laquelle a été maintenue au cours de deux procédures de révision en 1997 et 2001. Entre-temps, J._ a commencé des études de psychologie qu'elle a terminées en 2005 avec l'obtention d'une maîtrise de l'Université V._. Dès le 1er octobre 2005, elle a travaillé à mi-temps comme assistante sociale pour le Service T._. Dans le cadre d'une révision initiée en mars 2006, l'office AI a pris connaissance de la nouvelle activité de l'assurée. Par décision du 26 juin 2006, il a remplacé la rente entière d'invalidité par une demi-rente dès le 1er août 2006, au motif que l'activité exercée par J._ lui procurait un revenu représentant la moitié de celui qu'elle aurait obtenu sans atteinte à la santé. Sur opposition de l'assurée, il a maintenu sa position (décision sur opposition du 8 février 2008). B. J._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif du canton de Neuchâtel, en concluant à l'annulation de la décision sur opposition et à l'octroi d'un trois-quarts de rente, voire d'une rente entière. Après avoir rendu l'assurée attentive à la possibilité d'une reformatio in pejus, le Tribunal administratif a, par jugement du 10 mars 2009, rejeté son recours. Il a réformé la décision sur opposition du 8 février 2008 en ce sens que J._ a droit à un quart de rente dès le 1er août 2006. C. J._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont elle demande l'annulation en concluant à la reconnaissance de son droit à au moins une demi-rente d'invalidité. L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer. 