Faits: A. A.a G._, coiffeuse et esthéticienne de formation, a déposé le 31 octobre 2006 une demande de prestations de l'assurance-invalidité, tendant à l'octroi d'une rente. Il résulte des pièces versées au dossier qu'elle a été mise en incapacité de travail dès le 8 décembre 2005 pour cause d'état inflammatoire acromio-claviculaire et liquide dans la bourse SASD. L'intéressée a par ailleurs été victime d'une agression par l'ami de sa fille en décembre 2005, avec commotion cérébrale, plaie du cuir chevelu et contusion de la main droite, ayant en outre décompensé psychiquement la victime. Dans un questionnaire pour l'employeur, complété le 27 décembre 2006, l'entreprise X._ Sàrl a indiqué que l'intéressée avait travaillé à son service en tant qu'ouvrière polyvalente dans la collecte d'habits usagés à plein temps jusqu'au 8 décembre 2005 (dernier jour de travail effectif) et réalisé de ce chef un revenu mensuel brut de 3'200 fr.; le contrat de travail avait été résilié par l'employeur avec effet au 30 juin 2006, en raison d'un rendement insuffisant. L'Office AI pour le canton de Vaud (ci-après: l'OAI) a recueilli l'avis du docteur F._, généraliste, lequel a fait état, dans un rapport du 4 janvier 2007, d'un probable syndrome post-traumatique en voie de chronification avec céphalées, d'un épisode dépressif de sévérité moyenne, d'un probable trouble du comportement, d'une inflammation acromio-claviculaire droite, d'une gonarthrose bilatérale et d'un trouble douloureux chronique en voie d'installation. Selon ce praticien, la capacité de travail résiduelle de l'assurée s'élevait à 50 % dans son activité habituelle d'esthéticienne comme dans toute autre activité adaptée à ses atteintes, telle qu'ouvrière polyvalente, à compter du 1er janvier 2007. Annexé à ce rapport se trouvait un autre rapport établi le 13 mars 2006 à l'attention du docteur F._ par le docteur W._, spécialiste FMH en neurologie. Ce dernier a posé le diagnostic de probable syndrome post-traumatique en voie de chronification avec céphalées, troubles de la mémoire et de la concentration. Il a également fait état du fait que l'assurée semblait déprimée et angoissée. Il ne s'est pas prononcé sur la capacité de travail résiduelle de cette dernière. Dans un rapport du 6 février 2007, le docteur T._, généraliste, a posé les diagnostics ayant des répercussions sur la capacité de travail suivants: parésie du membre supérieur droit d'origine indéterminée, syndrome post-traumatique en voie de chronification avec céphalées, douleurs de l'épaule bilatérales, décompensation anxieuse et dépressive, degré moyen, troubles d'adaptation dans un contexte conjugal et socio-familial difficile et syndrome douloureux somatoforme probable en voie de chronicité. Il a fait état d'une incapacité de travail de 100 % du 8 décembre 2005 au 1er août 2006 puis à nouveau à partir du 1er octobre 2006. Selon ce médecin, l'assurée était connue depuis plusieurs années pour un syndrome dépressif et anxieux et des troubles adaptatifs et devait être sous tranquilisants et médication anti-dépressive depuis 2005. L'OAI a demandé à l'assureur-maladie de G._ de produire son dossier médical, lequel comprenait notamment un rapport de la doctoresse A._, spécialiste FMH en rhumatologie auprès du Centre d'expertise médicale à O._, du 8 mai 2006, et un rapport du docteur H._, spécialiste FMH en médecine interne, du 18 août 2006. La doctoresse A._ a posé le diagnostic de trouble douloureux en voie de chronicité et d'épisode dépressif de sévérité moyenne. Elle a précisé que l'assurée avait été présentée brièvement au docteur S._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, lequel avait confirmé la présence d'une comorbidité psychiatrique. Le docteur H._ a posé quant à lui le diagnostic de maladie anxieuse et dépressive de degré actuel moyen avec somatisation secondaire à de graves difficultés de couple. Selon lui, il n'existait aucune affection psychique, somatique ou post-traumatique susceptible de motiver la poursuite d'une incapacité de travail au-delà du 4 août 2006, date à laquelle l'assurée avait repris spontanément un emploi sans port de lourdes charges. Dans un rapport établi le 17 juillet 2007, le docteur R._, du Service médical régional de l'AI (SMR), a constaté, après avoir fait une synthèse des rapports médicaux à disposition, que l'incapacité de travail avait débuté en décembre 2005 et s'était terminée au plus tard en août 2006, moment à partir duquel l'assurée avait repris une activité à 80 %. Il proposait d'accepter ces conclusions sans examen complémentaire. A.b Le 28 novembre 2007, l'OAI a rendu un projet de décision par lequel il rejetait la demande de prestations. Il a retenu que la capacité de travail de l'assurée avait été nulle du 8 décembre 2005 jusqu'au mois d'août 2006 et qu'elle s'élevait depuis lors à 80 % dans son ancienne activité d'ouvrière polyvalente et à 100 % en tant qu'esthéticienne ou dans toute autre activité adaptée. L'assurée a contesté ce projet par courrier du 10 janvier 2008, indiquant que ses douleurs et crises de tétanie étaient apparues dès sa reprise d'activité le 4 août 2006 et qu'elle avait de ce chef été licenciée par son employeur avec effet au 30 septembre 2006. Par décision du 3 mars 2008, l'OAI a confirmé son projet de décision rejetant toute prestation. B. B.a L'assurée a déféré cette décision au Tribunal cantonal du canton de Vaud, en concluant à l'octroi d'une rente entière d'invalidité à partir du 1er décembre 2006. Dans sa réponse au recours, l'OAI a indiqué qu'il avait appris le 14 mars 2008 que l'assurée était hospitalisée depuis plusieurs semaines à la Clinique psychiatrique Y._ et proposé au tribunal d'interpeller les médecins de cet hôpital. Interpellés par le juge instructeur, les docteurs B._, L._ et N._ ont tous trois posé le diagnostic de trouble psychotique d'allure schizophrénique, lequel était invalidant. Selon la doctoresse L._ (cf. rapport du 24 octobre 2008), les troubles entraînaient une incapacité de travail totale dans toute activité depuis le mois d'août 2005. Ce dernier médecin ajoutait que l'état de santé psychique de l'assurée s'était aggravé depuis 2005, après une agression physique et dans le contexte d'un conflit conjugal, avec l'apparition de symptômes psychotiques manifestes et diverses plaintes somatiques. Dans un courrier du 28 novembre 2008 adressé au juge instructeur, l'OAI a indiqué, en se fondant sur un rapport de son médecin conseil du 21 novembre 2008, qu'une incapacité de travail totale de l'assurée était justifiée depuis le mois de février 2008 en raison des troubles psychotiques. En revanche, il maintenait sa position pour la période antérieure. B.b Dans ses déterminations du 9 décembre 2008, G._ a modifié ses conclusions en ce sens qu'elle a prétendu à une rente entière d'invalidité à partir du 1er août 2006. Invitée à se prononcer sur le rapport du SMR du 21 novembre 2008, la doctoresse L._ a précisé que l'assurée présentait des troubles psychiques depuis 2005 ayant entraîné des difficultés d'adaptation familiale, sociale et professionnelle, ce qui permettait de penser que la pathologie psychotique était bien antérieure à l'hospitalisation du 23 février 2008 (cf. rapport du 17 mars 2009). Egalement interpellé, le docteur B._ a indiqué, dans un rapport du 19 mars 2009, qu'il ne pouvait se prononcer sur le début des troubles dont souffrait l'assurée. Toutefois, il relevait que celle-ci avait fait l'objet d'une investigation neuropsychologique en mai 2007 qui concluait à la présence de troubles attentionnels sévères pouvant être attribués à des lésions post-traumatiques. Selon le dossier médical, la neuropsychologue ayant effectué les tests mettait également en avant la difficulté de faire la part des choses du fait d'une importante symptomatologie anxio-dépressive. Au vu de la méfiance et des limitations linguistiques de l'assurée, cette symptomatologie anxio-dépressive pouvait déjà avoir été une symptomatologie psychotique à bas-bruit. Le docteur B._ a conclu que l'assurée avait présenté des troubles depuis le mois de mai 2007 au moins. Il s'est prononcé en faveur d'une schizophrénie hébéphrénique présente depuis la fin 2007, selon les éléments du dossier psychiatrique. Il a cependant relevé que l'on pouvait objectiver, dans le dossier de la Clinique V._, une symptomatologie psychiatrique antérieure avec un premier rapport du docteur W._ (du 13 mars 2006) faisant état d'un trouble invalidant. Par jugement du 11 septembre 2009, la Cour des assurances du Tribunal cantonal du canton de Vaud a admis le recours et réformé la décision du 3 mars 2008 en ce sens que G._ avait droit à une rente entière d'invalidité à partir du 1er décembre 2006. C. L'OAI interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont il requiert l'annulation, en concluant à la confirmation de sa décision du 3 mars 2008. Le Tribunal fédéral a renoncé à procéder à un échange d'écritures. 