Fatti: A. I cittadini italiani A.A._ e B.A._ sono giunti in Svizzera nel 1986, con i figli C._ e D._. Essi hanno ottenuto un permesso di dimora e, a partire dal 1991, un permesso di domicilio. Nel 2002, i permessi citati sono stati trasformati in autorizzazioni di domicilio CE/AELS, con termine di controllo scadente il 14 gennaio 2013. Nel frattempo, ad D._ è stata conferita la cittadinanza svizzera. B. Nel corso dei mesi di maggio e giugno 2009, contestualmente all'esame della richiesta di naturalizzazione presentata da C._, la Polizia comunale di F._ ha effettuato diversi controlli presso l'abitazione della famiglia A._. Gli agenti hanno constatato la generale assenza dei suoi componenti, nonché un ritiro irregolare della corrispondenza. In seguito a puntuali verifiche è pure emerso che, tra il 1999 e il 2009, il consumo di energia da parte della famiglia A._ è stato molto scarso. I coniugi A._ sono stati allora espressamente interrogati in merito alla loro presenza nel Comune. Il 9 luglio 2009, B.A._ ha affermato di restare spesso sola nell'appartamento di F._ e di rendere frequenti visite alla sorella, che vive nel Comasco. Ha pure spiegato di pernottare a F._ a seconda del rientro di uno dei suoi familiari dall'Italia, ma di avere un'abitazione anche a E._, in provincia di Como (I). Ha infine aggiunto che il consumo di energia elettrica risulta essere molto scarso in quanto lei e i suoi famigliari non utilizzano i vari apparecchi di uso comune in un appartamento. ll 10 luglio 2009, A.A._ ha da parte sua affermato che l'attività da lui svolta comporta lunghi soggiorni in Italia, per l'acquisizione di clientela. Ha precisato di fermarsi spesso a E._ (I), dove possiede un appartamento, e infine aggiunto che l'abitazione di F._ viene utilizzata quale punto di riferimento per l'attività lavorativa e per la famiglia, quando egli e i suoi familiari si trovano in Svizzera. C. Sulla base degli accertamenti svolti e delle dichiarazioni rilasciate, ritenendo che risiedano in realtà a E._ (I), il 16 settembre 2009 la Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Dipartimento delle istituzioni del Canton Ticino (ora Sezione della popolazione) ha dichiarato la decadenza dei permessi di domicilio di A.A._ e B.A._, intimando loro di lasciare la Svizzera entro il 14 ottobre successivo. Su ricorso, detta decisione è stata confermata dapprima dal Consiglio di Stato, quindi dal Tribunale cantonale amministrativo, con sentenza del 18 marzo 2010. D. L'11 maggio 2010, A.A._ e B.A._ hanno impugnato detto giudizio con un ricorso in materia di diritto pubblico dinanzi al Tribunale federale, chiedendone l'annullamento, poiché sarebbe stato reso in violazione del diritto federale. Con decreto presidenziale del 14 maggio 2010, è stato concesso l'effetto sospensivo al gravame. Chiamato ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si è riconfermato nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria sentenza. Il rigetto del gravame è stato postulato anche dalla Sezione della popolazione e dall'Ufficio federale della migrazione. Da parte sua, il Consiglio di Stato si è rimesso al giudizio di questa Corte. 