Faits: A. A._ a travaillé comme ferblantier couvreur auprès de différents employeurs. Dès 1989, il a été employé par la société X._ SA qu'il a fondée à B._. A partir de juin 2002, il a continué son activité en qualité d'entrepreneur indépendant. Souffrant de douleurs des ceintures scapulaires et pelviennes s'étendant à toutes les articulations, il a été mis en arrêt total de travail du 15 septembre 2002 au 31 mars 2003, puis à 50 % dès le 1er avril 2003. Le 3 juin 2004, il a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité tendant à l'octroi d'une rente auprès de l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Fribourg (ci-après: l'office AI). Après avoir recueilli des renseignements médicaux et économiques, l'office AI a nié le droit de l'assuré à des prestations, par décision du 1er mars 2007. En bref, il a considéré que A._ disposait d'une capacité de travail de 80 % dans sa profession, que ce soit comme salarié ou comme indépendant, de sorte que sa perte de gain s'élevait à 20 %, taux insuffisant pour ouvrir le droit à une rente. B. A._ a déféré cette décision au Tribunal administratif du canton de Fribourg (aujourd'hui, Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal fribourgeois), qui l'a débouté par jugement du 29 mai 2009. C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler le jugement entrepris et conclut principalement au renvoi de la cause à l'administration pour qu'elle complète son instruction en vue d'appliquer la méthode extraordinaire d'évaluation de l'invalidité. A titre subsidiaire, il requiert l'octroi d'un quart de rente d'invalidité du 1er septembre 2003 au 31 janvier 2006, plus intérêt de 5 % l'an dès le 1er septembre 2005. L'office AI conclut implicitement au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer. 