Faits: A. B._ est danseuse professionnelle au service de la Fondation X._. A ce titre, elle est assurée contre le risque d'accidents auprès de Helsana Accidents SA (ci-après : Helsana), qui a repris le portefeuille d'assurance de La Suisse. Par une déclaration d'accident LAA du 28 mars 2001, l'employeur a informé La Suisse que B._ avait ressenti le 22 mars précédent une douleur au pied droit à la réception d'un saut. Le docteur M._ a fait état de douleurs inflammatoires aiguës de l'avant-pied sans fracture (rapport médical initial LAA du 19 avril 2001). A la suite d'un IRM du pied droit, il s'est avéré que la prénommée présentait une fracture à la base du 2ème métatarsien. Le docteur A._, qui a réalisé cet examen, a évoqué une fracture de fatigue (rapport du 10 mai 2001). L'assureur-accidents a pris en charge le cas, qui a donné lieu à un traitement médical et à une incapacité de travail de quelques jours (rapport du docteur U._ du 3 septembre 2001). Le 17 octobre 2007, l'employeur a annoncé une rechute de l'accident du 22 mars 2001. B._ a déclaré ressentir depuis plusieurs mois des douleurs au pied droit. Un CT-scan a montré une fracture du 2ème métatarsien non déplacé, sub-aigü ou sub-chronique (rapport du 25 juin 2007). Consulté par l'assurée, le docteur C._ a conclu à une séquelle de fracture intra-articulaire de l'accident de mars 2001 (rapport du 20 novembre 2007). Se fondant sur l'avis contraire de son médecin-consultant, le docteur V._, qui a posé le diagnostic d'une fracture de fatigue, Helsana a refusé de prendre en charge la rechute annoncée (décision du 23 janvier 2008). Saisie d'une opposition, elle l'a écartée dans une nouvelle décision du 3 juin 2008. B. L'assurée a recouru contre cette dernière décision devant la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois en produisant deux nouvaux avis du docteur C._ (du 30 juin et 10 octobre 2008). Par jugement du 9 février 2010, le tribunal cantonal a admis le recours en ce sens que Helsana est tenue de prendre en charge la rechute annoncée et ses suites. C. Helsana interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, en concluant à la confirmation de sa décision sur opposition. En bref, elle reproche à la juridiction cantonale d'avoir retenu que l'évaluation du docteur C._ est objectivement mieux fondée que celle de son médecin-consultant. Ce dernier avait démontré de manière convaincante que les fractures diagnostiquées en 2001 et en 2007 résultaient toutes deux de micro-traumatismes répétés. L'événement du 22 mars 2001 n'aurait pas dû être couvert par l'assurance-accidents, pas plus que ne le devait celui annoncé en octobre 2007, aucun d'entre eux ne remplissant les critères d'un accident ou d'une lésion assimilée à un accident. B._ conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer. 