Sachverhalt: A. A._ erwarb am 26. Oktober 1982 verschiedene Grundstücke im Bereich der ehemaligen Spinnerei Jakobstal auf dem Gebiet der Gemeinden Bülach und Hochfelden von der B._ AG, welche ihren Spinnereibetrieb 1982 stillgelegt hatte. Unter den Kaufobjekten befand sich das in Bülach gelegene Grundstück mit der heutigen Kat.-Nr. 8241 (ursprünglich Teil des Grundstücks Kat.-Nr. 6431, vormals Kat.-Nr. 5725) mit sechs Gebäuden (Assek.-Nrn. 417. 419, 433, 437 und 439) und einer Grundstücksfläche von 18'363 m2. B. Am 23. April 1985 stellte die Baudirektion des Kantons Zürich die sechs Gebäude der Fabrikanlage vorsorglich unter Schutz, nachdem die A._ AG angezeigt hatte, dass sie diese abbrechen wolle. Am 26. März 1986 wurden die Gebäude Assek.-Nrn. 417, 419 und 435 in näher bezeichnetem Umfang definitiv unter Denkmalschutz gestellt. Gegen diese Verfügung erhob A._ Rekurs beim Regierungsrat, der das Verfahren am 18. März 1987 als durch Rückzug erledigt abschrieb. Davor hatte die Baudirektion mit Verfügung vom 12. Januar 1987 die Unterschutzstellung des Kohlemagazins (Assek.-Nr. 435) bereits wieder aufgehoben, damit auf dem Restgrundstück neben der Fabrikanlage ein Neubau realisiert werden könne. Der Abbruch des Kohlemagazins dürfe jedoch erst dann vollzogen werden, wenn eine rechtskräftige Bewilligung für den Neubau vorliege. Aufgrund dieser Verfügung hatte der Grundeigentümer den Rekurs beim Regierungsrat zurückgezogen. C. Vom 21. April bis 10. Mai 1992 lag ein Bauprojekt des Grundeigentümers für eine "C._ AG" auf dem fraglichen Areal öffentlich auf. Bevor eine Bewilligung für dieses Vorhaben erteilt wurde, brannte am 25. Mai 1995 der Dachstuhl des Spinnereihauptgebäudes Assek.-Nr. 419 aus. Die Baudirektion teilte A._ hierauf am 11. Dezember 1995 mit, dass die Schutzverfügung unter gewissen Bedingungen wiedererwogen würde, weil das Spinnereigebäude durch Brand, Wasserschaden und Vandalenakte seine Zeugeneigenschaft weitgehend eingebüsst habe. A._ seinerseits verlangte am 20. März 1996 die Wiedererwägung und den Verzicht auf die Unterschutzstellung. Die Baudirektion hob ihre Schutzverfügung am 6. März 2002 im Wesentlichen unter der Bedingung auf, dass die A._ AG die Bauten abbreche, das Areal begrüne und die technischen Einrichtungen des Kessel- und Maschinenhauses dem Technikgeschichtlichen Verein Zürcher Unterland auf dessen Ersuchen hin unentgeltlich zum Ausbau überlasse. Diese Verfügung focht A._ beim Regierungsrat an; das Verfahren ist noch hängig. D. Ebenfalls am 20. März 1996 erklärte A._ gestützt auf § 214 des Planungs- und Baugesetzes vom 7. September 1975 (PBG/ZH; LS 700.1) den Heimschlag bezüglich der Gebäude Assek.-Nr. 419 (Spinnereihauptgebäude, Kistenlageranbau, Battagegebäude und Schlossereianbau), Assek.-Nr. 417 (Baumwollmagazin) und Assek.-Nr. 435 (Kohlemagazin) samt deren überbauter Landfläche. Nach erfolgloser Einigungsverhandlung wurde das Schätzungsverfahren bei der Schätzungskommission I eingeleitet. Diese entschied nach Durchführung zweier Augenscheine am 24. April 2008. Sie stellte fest, die Unterschutzstellung des Gebäudeensembles Jakobstal mit einer Fläche von ca. 26'277 m2, heute Kat.-Nr. 6431, durch den Beschluss der Baudirektion vom 26. März 1986, habe eine materielle Enteignung bewirkt (Disp.-Ziff. 1). A._ stehe darum das Heimschlagsrecht für das Grundstück Kat.-Nr. 6431 im Ausmass von ca. 26'277 m2 zu (Disp.-Ziff. 2). Weiter verpflichtete die Schätzungskommission I den Staat Zürich, A._ für das heimgeschlagene Grundstück Kat.-Nr. 6431 im Ausmass von ca. 26'277 m2 eine Entschädigung von Fr. 155.--/m2 abzüglich Abbruchkosten von Fr. 500'000.--, also total Fr. 3'572'935.-- zu entrichten (Disp.-Ziff. 3), Nachmass vorbehalten (Disp.-Ziff. 4) und zuzüglich Zins ab 20. März 1996 zum jeweiligen Zinsfuss der Zürcher Kantonalbank für bestehende 1. Hypotheken auf Wohnliegenschaften (Disp.-Ziff. 5). Die Kosten des Verfahrens auferlegte sie der Klägerin. E. Gegen diesen Entscheid rekurrierten sowohl der Staat Zürich als auch A._. Der Staat Zürich beantragte dem Verwaltungsgericht, der angefochtene Entscheid sei aufzuheben und es sei festzustellen, dass keine materielle Enteignung vorliege. Eventuell sei nur die in der Bauzone gelegene Fläche als massgeblich zu bezeichnen und der Kläger bei einem Heimfall zu verpflichten, die Sanierungskosten sicherzustellen. A._ verlangte, die Disp.-Ziff. 2, 3 und 5 des angefochtenen Entscheids seien dahingehend abzuändern, dass die Entschädigung für den Heimschlag auf Fr. 18'288'111.-- festgesetzt und der Zins zu 4.35 % bereits ab dem 1. Dezember 1992 vergütet werde. Zudem sei Disp.-Ziff. 4 aufzuheben. Unabhängig von der Heimschlagsentschädigung sei ergänzend eine Entschädigung zufolge materieller Enteignung (einschliesslich Enteignung für Sonderopfer und überlange Bausperren) zuzusprechen; die Höhe der Entschädigung machte A._ davon abhängig, ob die Schutzverfügung vom 26. März 1986 im hängigen Rechtsmittelverfahren standhalte: Wenn ja, dann solle die Entschädigung Fr. 24'956'683.-- zuzüglich 5 % Zins betragen, wenn nicht Fr. 15'688'680.75 plus 5 % Zins. F. Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich hiess den Rekurs des Staats Zürich am 20. August 2009 gut und wies denjenigen von A._ ab. In Aufhebung von Disp.-Ziff. 1-5 des Entscheids der Schätzungskommission I vom 24. April 2008 stellte das Verwaltungsgericht fest, die Unterschutzstellung des Gebäudeensembles Jakobstal gemäss der Verfügung der kantonalen Baudirektion vom 26. März 1986 habe keine materielle Enteignung bei A._ bewirkt. Demgemäss würden das Heimschlagsbegehren und die Entschädigungsforderungen des Letzteren abgewiesen. G. Mit Eingabe vom 28. Oktober 2009 erhebt A._ Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten und beantragt die Aufhebung des verwaltungsgerichtlichen Urteils vom 20. August 2009. Es sei festzustellen, dass die vorliegend streitigen Massnahmen des Natur- und Heimatschutzes eine materielle Enteignung bewirkt hätten, welche die Entschädigungspflicht ausgelöst und dem Beschwerdeführer das Heimschlagsrecht verschafft habe. Weiter sei festzustellen, dass der Beschwerdeführer auf eigene Kosten Bauprojekte erarbeitet habe, welche sich wegen des Verhaltens des Staats Zürich nicht hätten realisieren lassen und deren Kosten dem Beschwerdeführer durch den Staat Zürich zu ersetzen seien. Eventualiter sei festzustellen, dass der Beschwerdeführer als Ausfluss der überschiessenden Massnahmen des Denkmalschutzes, der überlangen Bausperre und der ihm durch die nicht bereits erwähnten anderen nutzlosen Vorprojekte ein Sonderopfer zugunsten der Allgemeinheit erbracht habe, das ihm zusammen mit einer Inkonvenienzentschädigung abzugelten sei. Für die Festsetzung der geltend gemachten Entschädigungen sei die Streitsache an die Vorinstanz zum Neuentscheid zurückzuweisen. Der Staat Zürich beantragt die vollständige Abweisung der Beschwerde, während die kantonale Schätzungskommission I auf eine Stellungnahme verzichtet. Auch das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich schliesst unter Hinweis auf seinen Entscheid auf Abweisung der Beschwerde, soweit darauf eingetreten werden können. Im Rahmen des zweiten Schriftenwechsels halten die Beteiligten sinngemäss an ihren Anträgen fest. 