Faits: A. Ressortissant macédonien né le 26 juillet 1980, X._ est entré en Suisse au mois d'août 2001. Sa demande d'asile, déposée sous le pseudonyme de Z._, a été rejetée le 10 septembre 2002 par l'Office fédéral des réfugiés, actuellement l'Office fédéral des migrations (ci-après: l'Office fédéral). Le 14 novembre 2002, l'amie de X._, la ressortissante suisse Y._ avec laquelle il faisait alors ménage commun, a donné naissance aux jumeaux prénommés A._ et B._. Le 16 avril 2003, X._ a été condamné sous son alias pour voies de fait, vol, dommage à la propriété et violation de domicile, survenus en avril et juillet 2002, à quatre mois d'emprisonnement sous déduction de vingt-trois jours de détention préventive avec sursis pendant deux ans, peine assortie d'une expulsion du territoire suisse pour une durée de quatre ans avec sursis pendant deux ans. Le 20 mai 2003, il a été refoulé vers son Etat d'origine. B. Revenu en Suisse sous son nom actuel, X._ a épousé Y._ le 11 novembre 2004. Ayant mensongèrement indiqué qu'il n'avait pas fait l'objet de condamnations pénales en Suisse, X._ a obtenu une autorisation de séjour dès le 7 décembre 2004, qui a été régulièrement renouvelée; le 20 avril 2005, il a été autorisé à exercer une activité professionnelle pour une société de placements temporaires, avant d'obtenir l'aide sociale vaudoise à partir du 1er novembre 2004. Le 16 mars 2006, le Tribunal d'arrondissement de la Broye et du Nord vaudois a condamné X._ pour vol en bande, dommage à la propriété, vol d'usage d'un véhicule et infraction à la loi sur le séjour et l'établissement des étrangers, faits survenus notamment en décembre 2002 et mars 2003, à une peine partiellement complémentaire à celle du 16 avril 2003 de dix mois d'emprisonnement, assortie d'une expulsion du territoire suisse pour une durée de cinq ans avec sursis pendant quatre ans. Le 9 octobre 2005, X._ a été placé en détention préventive à la suite de la saisie d'un kilo d'héroïne dans le contexte d'un trafic de stupéfiants. Le 8 décembre 2006, il a été condamné à une peine de cinq ans de réclusion sous déduction de 427 jours de détention préventive, pour infraction grave et contravention à la loi fédérale du 3 octobre 1951 sur les stupéfiants et les substances psychotropes (LStup; RS 812.121), ainsi que pour infraction à la législation fédérale sur les armes et pour circulation sans permis de conduire, peine complémentaire à celle prononcée le 16 mars 2006. Par décision du 28 décembre 2005, le Service de la population du canton de Vaud (ci-après: le Service cantonal) a révoqué l'autorisation de séjour de X._ et lui a imparti un délai immédiat pour quitter le territoire à sa libération de prison. Par arrêt du 15 mars 2007, qui est entré en force, le Tribunal administratif du canton de Vaud a rejeté le recours formé contre cette décision. Le 21 mars 2006, X._ et Y._ sont devenus parents d'un troisième enfant, prénommé C._. Une quatrième enfant, prénommée D._, est née en 2010. Depuis l'incarcération de X._ au sein des Etablissements pénitentiaires de Bellechasse, le 10 mai 2007, son épouse et ses enfants lui ont rendu visite à une fréquence quasi-hebdomadaire et il a lui-même bénéficié de cinq autorisations de sortie pour se rendre au domicile familial. Il a poursuivi l'exécution de sa peine sous le régime du travail externe dès le 8 janvier 2009. C. Par demande de reconsidération du 26 novembre 2009 adressée au Service cantonal, X._ a sollicité l'octroi d'une autorisation de séjour par regroupement familial au motif qu'il aurait complètement changé d'attitude, qu'il souhaiterait reconstruire une vie avec sa femme et ses enfants et qu'il ne commettrait donc pas de nouvelles infractions à sa libération de prison. Tout en acceptant d'entrer en matière à la forme, le Service cantonal a rejeté cette demande par décision du 15 décembre 2009. Par arrêt du 31 août 2010, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal) a admis très partiellement le recours formé par X._ contre la décision du 15 décembre 2009. Constatant notamment que, depuis sa libération conditionnelle, des liens affectifs "intacts et forts" s'étaient noués entre X._ et sa famille, lesquels rendraient son renvoi de Suisse lourd de conséquences sur le plan familial, le Tribunal cantonal a néanmoins fait prévaloir l'intérêt public à exiger l'éloignement d'un trafiquant de drogue condamné à une importante peine privative de liberté. En revanche, les juges cantonaux ont considéré qu'au regard du respect de la vie privée et familiale de l'intéressé (art. 8 CEDH), la mesure de renvoi de X._ devait s'accompagner de la possibilité pour lui de requérir un réexamen du refus d'autorisation, dans un délai de cinq ans à compter de la date de l'arrêt cantonal, s'il démontrait en particulier: un comportement irréprochable au moyen de la production d'extraits suisse et étranger de son casier judiciaire, la reprise d'une activité professionnelle à l'étranger, sa contribution à l'entretien de la famille et le maintien de liens avec son épouse et ses enfants suisses depuis l'étranger. Annulant la décision du Service cantonal du 15 décembre 2009, le Tribunal cantonal lui a retourné le dossier pour qu'une nouvelle décision intègre ces aspects. D. Le 1er octobre 2010, X._ a déposé au Tribunal fédéral un recours en matière de droit public contre l'arrêt du Tribunal cantonal du 31 août 2010. Il demande, sous suite de dépens, principalement, d'admettre le recours et de réformer l'arrêt cantonal de sorte à lui accorder une autorisation de séjour; subsidiairement, d'annuler l'arrêt attaqué et de renvoyer la cause au Tribunal cantonal pour instruction et nouvelle décision. Il se plaint de la violation du droit fédéral, de l'art. 8 CEDH et de la Convention du 20 novembre 1989 relative aux droits de l'enfant (CDE; RS 0.107). Il requiert l'assistance judiciaire. Le Service cantonal a renoncé à se déterminer sur le recours, tandis que l'Office fédéral et le Tribunal cantonal ont conclu à son rejet, en se référant aux considérants de l'arrêt entrepris. Par ordonnance présidentielle du 5 octobre 2010, le Tribunal fédéral a admis la demande d'effet suspensif déposée par le recourant. 