Faits: A. La société X._ Ltd (ci-après: la société, l'assujettie ou la recourante), constituée à A._ en 1999, avait pour principal actif un avion de type "Challenger 604". Le 17 novembre 2000, elle a conclu avec la société B._ AG, dont le siège est à C._, un contrat intitulé "Operation Management Agreement" portant sur la maintenance, la gestion et l'exploitation de l'avion, soit la mise à disposition de ses clients de l'appareil pour des vols. Le contrat devait entrer en vigueur lors de l'immatriculation commerciale de l'avion en Suisse. La société s'est annoncée en décembre 2000 à l'Administration fédérale des contributions, Division principale de la taxe sur la valeur ajoutée (ci-après: l'Administration fédérale), en vue de son inscription au registre des assujettis à la taxe sur la valeur ajoutée (ci-après: TVA). Elle a précisé que son activité, consistant à affréter à B._ AG un avion importé en Suisse, débuterait le 8 janvier 2001, que son chiffre d'affaires annuel atteindrait 100'000 fr. et que, pour le cas où il se révélerait inférieur, elle souhaitait opter pour l'assujettissement. La société a été immatriculée en tant qu'assujettie à la TVA le 8 janvier 2001. Elle a importé l'avion en Suisse le 27 février 2001, en s'acquittant de la TVA à l'importation. Dans ses décomptes TVA afférents à 2001, la société a indiqué un impôt préalable déductible de 3'157'103 fr. 25 et un impôt dû de 5'752 fr. La différence, soit 3'151'351 fr. 25, lui a été versée par l'Administration fédérale. Le 21 octobre 2002, l'assujettie a conclu avec D._ Ltd, société ayant son siège à E._ (Iles Vierges britanniques), un contrat intitulé "Aircraft Wet Lease Agreement", prévoyant la mise à disposition de l'avion, avec le personnel de vol fourni par B._ AG. Dans ses décomptes TVA afférents à 2002, la société a indiqué un impôt préalable déductible de 259'493 fr. et un impôt dû de 5'752 fr., d'où il résultait un montant en sa faveur de 253'741 fr. B. Après avoir requis différents documents, notamment les factures justifiant l'impôt préalable déclaré, et renseignements, en particulier sur l'existence et la nature d'éventuelles prestations fournies à des tiers et sur les prestations grevées d'impôt préalable, l'Administration fédérale a, par décision du 3 juin 2003, radié l'assujettie du registre des contribuables TVA avec effet au 31 décembre 2002. Elle lui a en outre réclamé le paiement de 3'206'085 fr. 45 pour les périodes allant du 1er trimestre 2001 au 1er trimestre 2002 et a corrigé les décomptes relatifs aux périodes allant du 2ème au 4ème trimestre 2002 en ce sens que le chiffre d'affaires et l'impôt préalable étaient nuls. A l'encontre de cette décision, l'assujettie a formé une réclamation, en concluant à son annulation et au paiement de l'excédent d'impôt préalable résultant des décomptes afférents aux périodes allant du 2ème au 4ème trimestre 2002. Dans ses décomptes relatifs aux trois premiers trimestres 2003, la société a indiqué un impôt préalable déductible de 164'803 fr. et un montant de TVA égal à zéro. Le 28 août 2003, elle a annoncé que l'avion avait été vendu le 30 juin 2003. Elle a exposé le 26 septembre 2003 que cette circonstance justifiait sa radiation du registre des contribuables TVA avec effet au 30 septembre 2003. C. Par décision sur réclamation du 27 février 2007, l'Administration fédérale a considéré que les conditions de l'assujettissement de la société et du droit à la déduction de l'impôt préalable devaient être examinées au regard des seules prestations fournies à B._ AG, à l'exclusion de celles effectuées en faveur de D._ Ltd. La déduction de l'impôt préalable ne pouvait être admise que pour la période d'assujettissement, soit les années 2001 et 2002, et au surplus de manière réduite, à savoir exclusivement pour les prestations fournies à B._ AG. L'assujettie devait dès lors restituer 3'156'315 fr. 45 d'impôt préalable déduit à tort, seul un montant de 18'735 fr. 35 étant déductible à ce titre pour les périodes allant du 2ème au 4ème trimestre 2002. Saisi d'un recours contre la décision précitée, le Tribunal administratif fédéral l'a rejeté, par arrêt du 29 juillet 2010. Il a confirmé, en substance, que la société n'avait pas réalisé d'opérations au sens du droit de la TVA avec D._ Ltd: un échange de prestations ne pouvait intervenir qu'entre des sujets distincts au plan économique, condition qui n'était pas réalisée en l'espèce; en outre, les transactions entre la société et D._ Ltd présentaient les caractéristiques de l'évasion fiscale. Dès lors, seules les prestations fournies à B._ AG sur le territoire suisse pouvaient être prises en considération pour se prononcer sur l'assujettissement de la société. Celles-ci dépassant le montant déterminant en 2001, la société était assujettie à titre obligatoire durant l'année en question. Même si elle n'avait pas effectué d'opérations en Suisse en 2002, elle demeurait assujettie jusqu'à la fin de cette année, sa radiation du registre des contribuables TVA avec effet à cette date étant intervenue à bon droit. Le Tribunal administratif fédéral a au surplus confirmé la réduction de l'impôt préalable déductible opérée par l'Administration fédérale au vu de l'absence d'opérations au sens du droit de la TVA avec D._ Ltd et de la fin de l'assujettissement de la société au terme de l'année 2002. D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, la société demande au Tribunal fédéral, sous suite de frais et dépens, d'annuler l'arrêt du 29 juillet 2010, de reconnaître sa qualité d'assujettie à la TVA et son droit à la déduction complète de l'impôt préalable pour toute la période allant du 8 janvier 2001 au 30 juin 2003, de dire qu'elle n'est redevable d'aucun montant envers l'Administration fédérale au titre de l'impôt préalable qui lui a été restitué (périodes allant du 1er trimestre 2001 au 1er trimestre 2002) et de condamner cette dernière à lui rembourser l'impôt préalable afférent aux périodes allant du 2ème trimestre 2002 au 2ème trimestre 2003, soit un montant total de 357'269 fr. Elle demande également que son recours soit doté de l'effet suspensif. Le Tribunal administratif fédéral renonce à se déterminer sur le recours. L'Administration fédérale conclut à son rejet. Par ordonnance du 20 octobre 2010, le Président de la IIe Cour de droit public du Tribunal fédéral a admis la requête d'effet suspensif. 