Faits: A. La société B._ est propriétaire de la parcelle n° 3966 (anciennement parcelles n° 2567 et 2701) du registre foncier de Bellevue (GE). Ce bien-fonds est situé au bord du lac Léman, en "5e zone" de construction au sens de l'art. 19 al. 3 de la loi cantonale d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 4 juin 1987 (LaLAT; RSG L 1 30) et dans le périmètre à protéger défini par la loi cantonale sur la protection des rives du lac du 4 décembre 1992 (LPGRL). B._ est également propriétaire de parcelles sises de l'autre côté de la route de Lausanne, sur lesquelles un hôtel est exploité. La parcelle n° 3966 sert notamment de plage et de débarcadère aux clients de l'hôtel, auquel elle est reliée par un passage souterrain. Le 23 mars 2004, B._ a obtenu l'autorisation de construire sur ce bien-fonds une "villa individuelle avec piscine extérieure et pool house". A._, propriétaire de la parcelle voisine n° 2606, a contesté en vain ce permis de construire devant les instances cantonales et devant le Tribunal fédéral, qui a notamment considéré que l'art. 19 al. 3 LaLAT n'avait pas été appliqué arbitrairement et qu'il n'était pas manifestement insoutenable de considérer les constructions autorisées comme conformes à l'affectation résidentielle de la zone (arrêt 1A.270/2005 et 1P.666/2005 du 21 février 2006). B._ a construit la villa autorisée, mais la piscine et le "pool house" n'ont pas été réalisés. B. Le 23 avril 2008, B._ a requis l'autorisation de construire sur la parcelle n° 3966 un "pool house" d'une surface inférieure à 50 m2, une plate-forme sur la plage et une rampe facilitant l'accès au lac. Le "pool house" projeté était un bâtiment de type rectangulaire à toiture plate, mesurant 11,90 m sur 4,20 m et comprenant une douche, des WC, un vestiaire, un espace de rangement et une kitchenette. Le Département des constructions et des technologies de l'information du canton de Genève (ci-après: le département) a recueilli les préavis requis, ainsi que des observations de A._, qui concluait au rejet de la demande d'autorisation de construire. En cours de procédure, B._ a renoncé à la construction de la plate-forme sur la plage. Par décision du 22 janvier 2009, le département a délivré l'autorisation sollicitée. A._ a contesté cette décision auprès de la Commission cantonale de recours en matière administrative, qui a rejeté le recours par décision du 30 novembre 2009. Statuant sur recours du prénommé, le Tribunal administratif du canton de Genève (ci-après: le Tribunal administratif) a confirmé cette décision par arrêt du 31 août 2010. Il a considéré en substance que les constructions projetées respectaient la loi fédérale sur la protection de l'environnement (LPE; RS 814.01), qu'elles étaient conformes à l'affectation de la zone au sens de l'art. 19 al. 3 LaLAT et qu'elles ne causeraient pas de nuisances supplémentaires, la jetée existante servant déjà de débarcadère aux clients de l'hôtel voisin et B._ s'étant engagée à faire cesser les activités nautiques proposées sur ce site. C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt ainsi que l'autorisation de construire délivrée le 22 janvier 2009, subsidiairement de renvoyer la cause au Tribunal administratif pour nouvelle décision. Il se plaint d'une violation de son droit d'être entendu (art. 29 al. 2 Cst.), de l'art. 22 al. 2 let. a de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700) en relation avec l'art. 19 al. 3 LaLAT, ainsi que des art. 1, 7, 11 et 15 LPE. ll invoque également la garantie de la propriété et se plaint d'arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. Il requiert en outre l'octroi de l'effet suspensif. Le Tribunal administratif a renoncé à se déterminer. Le département se réfère à l'arrêt attaqué pour conclure au rejet du recours. Au terme de ses observations, B._ conclut à la confirmation de l'arrêt attaqué. L'Office fédéral de l'environnement a présenté des observations. La société intimée, le département et le recourant ont présenté des observations complémentaires. D. Par ordonnance du 9 novembre 2010, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la demande d'effet suspensif. 